摘要：文章給出了一個基于自由擺的平板控制系統(tǒng)的設計與構建，系統(tǒng)以STC12C5A16S2型單片機為控制核心，經角度傳感器MMA7455、直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)、混合式步進電機42BYGH4417及必要的外圍驅動電路，實現(xiàn)平板隨著擺桿的擺動而旋轉，平板上的8枚硬幣隨擺桿擺動不滑落，平板上的激光筆在15s內照射到指定的中心線位置。
關鍵詞：自由擺；單片機；角度傳感器；DDS；步進電機

0 引言
    現(xiàn)代檢測技術和自動控制理論的飛速發(fā)展，能夠使得人們設計高精度的控制系統(tǒng)，基于自由擺的平板控制系統(tǒng)就是這些技術和理論的應用實例之一。
    本文所討論的自由擺平板控制系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)如下功能：(1)控制電機使平板隨著擺桿的擺動(3～5周)而旋轉，擺桿擺一個周期，平板旋轉一周(360°)，偏差絕對值小于45°。(2)在平板上粘貼一張打印紙，在平板中心穩(wěn)定疊放8枚1元硬幣，用手推動擺桿至一個角度θ(θ在45°～60°間)，調整平板角度，啟動后放開擺桿讓其自由擺動。在擺桿擺動過程中，硬幣在擺桿的5個擺動周期中不從平板上滑落，并保持疊放狀態(tài)。(3)在平板上固定一激光筆，光斑照射在距擺桿150cm距離處垂直放置的靶子上。擺桿垂直靜止且平板處于水平時，調節(jié)靶子高度，使光斑照射在靶紙的某一條線上，標識此線為中心線。用手推動擺桿至一個角度θ(θ在30°～60°間)，啟動后，系統(tǒng)應在15s內控制平板盡量使激光筆照射在中心線上(偏差絕對值<1cm)，完成時以LED指示。

1 系統(tǒng)方案選擇與論證
1．1 電機模塊的選擇與論證
    電機是整個系統(tǒng)用于控制的不可缺少部分。電機的選擇不但要有快速的反應還要有準確的轉動角度以配合整個系統(tǒng)的運行。
    方案一：采用普通直流電機。直流電機具有良好的調速特性，調速平滑、方便，調整范圍廣；過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉；能滿足生產過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求。
    方案二：采用步進電機。步進電機的顯著特點就是能快速啟動和停止，而且在程序上控制相對容易，如果負荷不超過步進電機所能提供的動態(tài)轉矩值，就能使步進電機啟動和反轉。另一個顯著特點就是轉換精度高，正轉反轉控制靈活。
    方案三：采用金屬齒輪微型舵機，舵機具有體積小、輸出力矩大、控制簡單等優(yōu)勢，但不能簡單完成轉動360°的要求。
    綜合以上，選擇方案二。
1．2 控制器系統(tǒng)的選擇與論證
    控制器系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，控制著數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，控制器的性能好壞決定了整個系統(tǒng)的準確性?？刂破饕筮\算速度較快，數(shù)據(jù)傳輸接口豐富易用。
    方案一：采用STC12C5A16S2作為控制核心。51單片機價格低廉、使用簡單、軟件編程自由度大，可用編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制，但其運算速度較低，增大了硬件電路設計與控制過程的復雜度。
    方案二：采用FPGA作為系統(tǒng)的控制器。FPGA可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能，規(guī)模大、密度高。但由于本設計對數(shù)據(jù)處理速度要求不高，F(xiàn)PGA的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時其芯片引腳較多，實物硬件電路板布線復雜，加重了電路設計和實際焊接的工作。
    綜合以上，選擇方案一。
1．3 傳感器的選擇與論證
    傳感器能進行平板的角度檢測，是一種被測量參數(shù)能按一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器是與被測對象直接有關聯(lián)的部分，其性能的優(yōu)劣直接影響著檢測系統(tǒng)的精度，所以傳感器的正確選擇十分關鍵。
    方案一：采用無觸點磁敏電位器，利用磁敏元件非接觸地感應磁場強度的變化，實現(xiàn)對角度的測量。但缺點是其頻響特性差、截止頻率低、精度低，不適用于機械安裝，電機的振動也影響其準確性。
    方案二：采用加速度計，通過加速度計的旋轉，輸出值g，與平衡位置比較，可換算成水平傾角，讀取數(shù)據(jù)簡便，傳感器體積較小，也易于安裝在系統(tǒng)上進行測量。
    綜合以上，選擇方案二。

2 系統(tǒng)設計
2．1 系統(tǒng)總體設計
    系統(tǒng)的總體設計框圖如圖2所示，此系統(tǒng)是一個自動平衡測試系統(tǒng)，它由自由擺系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和控制驅動系統(tǒng)三大部分構成。

2．2 系統(tǒng)的工作流程
    系統(tǒng)硬件設計平板轉動后，通過傳感器形成的加速度值經過A／D轉換，作為單片機的輸入數(shù)據(jù)，原理圖如圖3所示。單片機STC12C5A16 S2利用其I／O口，輸出信號來驅動DDS模塊，產生頻率精確、寬度可調的脈沖信號。該脈沖信號可使高細分兩相混合式步進電機驅動芯片THB6128驅動42BYGH4417完成步進運行，原理圖如圖4所示。從而實現(xiàn)對電機轉速、轉向、啟停等多種工作狀態(tài)的快速準確控制，最終使平板達到自由擺系統(tǒng)中的規(guī)定位置。我們利用按鍵來選擇不同的工作模式，利用LCD顯示角度傳感器的數(shù)值，各個功能完成時利用LED指示結束。

2．2 平板隨著擺桿的擺動而旋轉
    單片機STC12C5A16S2采用內部定時器方式2工作，獲得不同周期的時鐘，T=(2s-N)／SYCLK。
    自由擺周期擺動時，平板需在單個周期內完成360°旋轉。由自由擺擺動周期可知，擺長L=1m，當?shù)刂亓铀俣萭=9．76m／s，則擺動周期T=2．011s。
    兩相四線混合式步進電機42BYGH4417利用芯片THB6128對其步距角進行細分。步距角為1．8°，細分數(shù)為A，則步進電機轉動角度a°時，PWM脈沖個數(shù)N=a*A／1．8。步進電機脈沖數(shù)為N時，脈沖頻率f與轉動時間T間的關系為N=f*T。
    綜上所述，若細分數(shù)A=128，則DDS模塊需要產生頻率f=12．73kHz的脈沖信號，通過單片機內部定時器編程即可實現(xiàn)?？紤]到外界壓力、空氣阻力等狀況，可多次試驗調試，適當增加頻率f即可實現(xiàn)單擺一個周期擺動時，平板旋轉一周。
2．4 硬幣的穩(wěn)定控制
    我們在平板上疊放8個一元的硬幣，當單擺從角度θ開始擺動時，控制平板由水平快速同步到圖5所示位置，則硬幣整體受到一個豎直向下的重力和始終沿桿方向變化的支持力，將這些力沿垂直和平行于速度方向進行分解。其中，垂直于速度方向上的力使硬幣的速度方向發(fā)生改變，充當硬幣繞懸點做變速圓周運動的向心力。平行于速度方向上的力使硬幣的速度大小發(fā)生改變，充當擺球的回復力。在此種情況下即可保證硬幣隨擺桿擺動而不滑落。為了達到放手后平板快速同步，我們將開啟開關安裝在擺桿上，放手即開啟。

2．5 激光筆的定位
    開啟系統(tǒng)，讓平板上的激光筆初始化到指定中心線位置。當擺桿被推到角度θ時，角度傳感器將偏離角度讀入到單片機，要完成快速定位，激光筆需旋轉角度γ，如圖6所示。

    經計算可知，當擺桿處于近離中心線位置(左圖)時，；當擺桿處于遠離中心線位置(右圖)時，。
    設定t秒完成定位，則利用平板隨擺桿的擺動而旋轉中所示方法，可得PWM脈沖個數(shù)，從而得到DDS模塊需要產生的脈沖頻率，通過單片機內部定時器方式2工作，完成DDS的輸出。
2．6 程序的設計流程圖
    主程序流程圖、步進電機控制程序流程圖、自動旋轉程序流程圖和平衡控制程序流程圖依次如圖7所示。

3 結論
    本文介紹了一種基于自由擺的平板控制系統(tǒng)，完成了步進電機對平板的控制，完成了平板隨著擺桿的擺動而旋轉，8枚硬幣隨擺桿擺動不滑落，激光筆在15s內定位中心線的功能。經實驗測試，效果均達到了設計要求。