摆锤运动控制系统.doc

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.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。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。1.2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。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；（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.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 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.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(起摆到摆锤稳定的时间)（单位：秒）1s1s1s1s1s是否在误差范围内是是是是是周期范围210s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4s5s4S3s6s4.2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）在人为干扰软绳运动后，可以