摆锤运动控制系统

摆锤运动控制系统摆锤运动控制系统 作者 李乾一 苏钢集团技术总工 摘要 该系统以单片机 STC89C52 为摆锤的控制核心 电路分为控制模块 显示模块 键盘 模块 响铃模块 步进电机驱动模块 电磁铁模块 反馈模块 遥控模块等几部分 设计 受到钟摆原理启发 通过控制步进电机的运动来实现摆锤的起摆 通过单片机控制电磁铁实 现了摆锤的来回摆动 反馈信号采用红外传感器来检测 各探头信号经单片机综合分析处理 同时能显示周期 速度等 该系统的特色在于摆锤模拟自然摆 振幅控制准确 频率易调节 系统经济实用 关键词 响铃模块 驱动模块 电磁铁模块 前言前言 通过磁铁的磁力及步进电机实现了对摆锤运动的控制 控制方式上创新的引 入了电磁铁 使得摆锤运动有着自然 受迫双模式 在驱动方式上 采用软件模 拟及步进电机四细分模拟了真实单摆运动 在反馈方式上 改进了现有的反射式 红外传感器电路 使得其检测性能更加灵敏 可靠 在人机交互方式上 制作了 手持式控制器 可以通过按键和液晶显示屏方便的对系统的状态和运动参数进行 显示和修改 有着启动速度快 运动控制精确 抗干扰能力强 控制模式可选 人机交互好等优点 1 1 系统方案选择和论证系统方案选择和论证 1 1 系统的基本方案 在非接触力的作用下控制摆锤起摆以及定振幅间摆动 考虑到通过磁场可较 好地实现设计要求 使用电磁铁来提供外力 电磁铁的放置可根据步进电机的原理 A B C 三个磁极的线圈依次轮流通电 则 A B C 三对磁极就依次产生磁场吸引转子转 动 所以在距摆锤几厘米的圆弧轨道上等角度放置 6 个条形磁铁 条形磁铁在其 驱动电路的驱动下 依次产生磁场 从而实现对摆锤的控制 但不足之处在于条 形磁铁产生的作用力不均匀 不能完全使摆锤在同一平面摆动 产生的振幅误差 较大 无法完全像步进电机那样 如图 1 1 流畅地转动 在硬件实现方面 须 有较繁多的磁铁驱动电路 外界电路不易实现 2 图 1 1 反应式步进电机工作原理 用步进机来控制带动杆 带动杆固定着的电磁铁把摆锤往下吸 使摆锤在带 动杆的驱动下 与步进电机作同步运动 待摆锤运动稳定后 电机停止摆动 并 将带动杆停于初始位置 此时依靠电磁铁的吸引力控制摆锤摆动 此方案用软件 来控制系统的快速起停 周期的精确计算 振幅误差小 有提示声音 在硬件方 面 驱动电路实用简洁 精确度高 1 21 2 系统的整体方案论证系统的整体方案论证 1 2 1 基本系统介绍 系统可以划分为核心控制部分和反馈部分 其中核心控制部分包括 键盘模 块 显示模块 响铃模块 电机驱动模块 电磁铁模块 反馈模块 总体框图如 图 1 2 1 所示 为实现各模块的功能 分别拟订了几种不同的设计方案并进行论 证 3 图 1 2 1 系统总体框图 1 2 2 各模块方案选择与论证 1 2 2 1 控制模块 控制模块主要是用于协调各个模块的工作 在整体方案中起关键作用 采用 STC89C52 单片机作为系统的核心控制器 单片机算术运算功能强 软件编程灵活 自由度大 可用软件编程实现各种算法和逻辑控制 并且由于其功耗低 体积小 技术成熟和成本低等特点 使其在各个领域应用广泛 基于以上分析拟订方案 锤控制的方框图如图 1 2 2 所示 在本系统中 单 片机通过 CPU 控制 用程序来实现各个模块的功能 图 1 2 2 摆锤控制的方框图如图 4 1 2 2 2 电机模块 电机就是把电脉冲信号转换成机械角位移的控制电机 在本系统中 电机的 作用在于通过带动电机轴心下的带动杆 杆上的电磁块吸住摆锤 使摆锤在 A B 两定点间作往返运动 采用步进电机 步进电机的一个显著特点就是具有快 速启停能力 在一定的负荷内 能够使电机迅速启动或反转 另一个显著的特点 是转换精度高 正反转控制灵活 1 2 2 4 计时模块 计时模块要实现的功能是对用来控制摆锤周期的长短 最小单位为 0 1s 由 于本系统的控制器由单片机构成的 其内部有很好的定时系统 因此系统使用 STC89C52 内部的定时器模块功能 在 STC89C52 内部有两个定时器 它的计数脉 冲的频率为所选晶振频率的 1 12 本系使用的晶振频率为 24MHz 则计数脉冲频 率为 2 MHz 通过对定时器的溢出控制 完全可以实现最小单位 0 1s 的计时功能 此 方案在有效地利用系统资源的同时 又减少了单片机的外围电路 1 2 2 5 响铃模块 响铃模块的设计要求是在摆锤的到达 A 点或 B 点时 发出声音提示 在这方 面 考虑到体积和功耗的因素 我们使用了蜂鸣器代替普通的扬声器 1 2 2 6 反馈信号检测模块 当摆锤摆动到 A 点或 B 点时 需有个装置来检测是否摆到 A 点或 B 点 采用红外传感器 由于红外传感器的外围电路简单 而且能够完全达到我们 的设计要求 当摆锤摆动通过传感器时 传感器向单片机发出信号 单片机通过 计算 控制显示模块显示摆锤的实施速度 1 2 3 系统各模块的最终方案 1 控制模块 采用 STC89C52 作为 CPU 核心控制芯片 2 显示模块 采用带中文字幕的 12864 3 计时模块 采用 STC89C52 内置的计数器 4 响铃模块 采用蜂鸣器 5 键盘模块 采用 1 4 位键盘 5 6 反馈模块 采用红外传感器 基本框图如图 1 2 4 所示 单片机 STC89C52 主要用于协调各个模块的工作 通过单片机计算出单摆的实时速度 通过单片机内部的计时器计算出单摆的周期 并显示在 12864 上 在人为干扰后 通过反馈模块 系统自动复位 摆锤重新开 始起摆 图 1 2 4 系统设计 2 2 理论分析 理论分析 2 1 物理模型 如图 2 所示 细线一端固定在点 O 上 另一端挂着体积小 质量为 m 的摆锤 设在某一个时刻 摆线偏离铅垂线的角位移为 并规定摆锤在平衡位置的右方 时 值为正 在左方时 为负 若悬线长为 l 则重力 P 对点 O 的力矩为 M mgl 6 式中 M 与 的关系 恰似弹性力 F 与位移 x 的关系 根据转动定律 则单摆的角加速度为 式中 J 是摆锤对悬挂点 O 的转动惯量 因此 上式可写成 上述表达式的推倒是在没有外力的作用下 但考虑到摆锤在周期可调的情况 下 只能是受迫振动 为使摆锤在变频的情况下摆动 只能提供一个外力 且这 个外力大小方向可调 由此 我们想到了磁场 2 3 系统理论分析与计算 1 当摆锤静止时 摆锤受到两个力的作用 一个是重力 G 一个是电磁铁 它 的受力分析如图所示 7 绳子的拉力 F 重力 G 磁场对摆锤的拉力 L 2 如图 2 3 2 当摆锤在任意角度上时 摆锤受到重力 磁块对摆锤的拉力 L 和绳子对摆锤的拉力 F 此时磁块 D 对摆锤的作用力方向始终于与拉力 F 方向 相反 摆锤在摆动过程中的某一时刻的加速度为 a 则 F L Gcos Gsin ma 注 以上受力分析 皆忽略考虑绳子的摩擦力 3 1 系统硬件的基本组成部分 本系统主要由铁架 铝制带动杆 摆锤 步进电机 挡板组成 硬件上通过 两块电路板的串行通信实现控制 整体结构简单大方 3 2 系统的软件设计 本系统软件的特点是 程序中通过用线性插值法求出了单摆运动周期的近似 8 解 使摆锤运动时尽可能地模拟单摆自然摆动 3 2 1 运动控制主程序方框图 3 2 2 信号反馈检测程序方框图 4 4 系统测试 系统测试 根据方案设计的要求 调试过程共分三大部分 硬件调试 软件调试和软硬 件联调 单片机串行通信程序的调试 电路按模块调试 各模块逐个调试通过后再联调 单片机软件先在最小系统 上调试 确定工作正常后 再与硬件系统联调 4 1 测试结果 系统在程序开始执行起 经按 S1 始摆动 振幅由小到大 并逐渐趋于稳定 下面表 4 2 1 是 5 次测验的结果 项目第一次第二次第三次第四次第五次 t1 起摆到 摆锤稳定的 1s1s1s1s1s 9 时间 单 位 秒 是否在误差 范围内 是是是是是 周期范围 2 10s 到达 A 点是 是否有声音 提示 是是是是是 人为干扰后 稳定下来的 时间 4s5s4S3s6s 4 2 系统实现的功能 系统实现的功能有 1 系统能够通过键盘控制起摆 2 使摆锤达到 范围内进行摆锤运动 限 10 秒内完成稳定运动 3 摆锤到达 A B 点的摆幅误差可以控制在 5 内 4 控制摆锤在摆锤运动稳定时 可显示摆动周期 速度 5 在摆锤到达 A 或 B 点时 可以发出声音提示 6 在人为