常春霞 郭瑞巖

摘 要：實(shí)現(xiàn)基于自由擺的平板控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，以SPCE061A單片機(jī)為主控制器，以1‰精度單圈電位器為角度傳感器，配以16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705實(shí)現(xiàn)角度測(cè)量，采用步進(jìn)電機(jī)做為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，配以能16細(xì)分的TB6560為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，實(shí)現(xiàn)0.1125？觷步進(jìn)角，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，還增加了多種創(chuàng)新功能。

關(guān)鍵詞：SPCE061A；1‰精度電位器；AD7705；TB6560

中圖分類號(hào)：U671 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2013）23-0008-021 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框架

1.1 方案框架

1.1.1 主控制器的選擇

采用SPCE061A單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算速度高，帶語(yǔ)音功能，易于在線仿真調(diào)試。

1.1.2 傳感器的選擇

采用1‰精度單圈電位器WDD35D，將擺桿擺動(dòng)轉(zhuǎn)換為電位器轉(zhuǎn)動(dòng)，只要測(cè)量輸出電壓的變化即可確定角度。電位器有高線性度和基本無(wú)需反應(yīng)時(shí)間即可跟蹤擺桿的特點(diǎn)。

1.1.3 AD轉(zhuǎn)換器的選擇

采用16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705。分辨率為1/65 536，最小可識(shí)別電壓為0.000038 V，最小可識(shí)別的角度為0.002？觷，精度可達(dá)系統(tǒng)要求。

1.1.4 電機(jī)的選擇

由于步進(jìn)電機(jī)可以進(jìn)行精確角度控制，并能記住位置，自己構(gòu)成閉環(huán)控制，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

1.1.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇

常用步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角1.8？觷，為實(shí)現(xiàn)精確控制，需選用16細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。TB6560驅(qū)動(dòng)芯片，可實(shí)現(xiàn)雙向控制，且具有耐壓40 VDC，電流3.5 A（峰值），多種細(xì)分可選（1/1、1/2、1/8、1/16）和衰減方式分段可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。

1.1.6 其它電路選擇

系統(tǒng)采用常用OCMJ4×8 C液晶顯示，選擇1*4行列式鍵盤，采用凌陽(yáng)單片機(jī)自帶語(yǔ)音功能。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以SPCE061A凌陽(yáng)單片機(jī)為主控制器，以1‰精度單圈電位器為角度傳感器，配以16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705實(shí)現(xiàn)角度測(cè)量，采用步進(jìn)電機(jī)做為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，配以能16細(xì)分的TB6560為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，實(shí)現(xiàn)0.1125？觷步進(jìn)角，從而構(gòu)成自由擺控制系統(tǒng)，并增加了液晶顯示和語(yǔ)音播報(bào)等功能。

1.3 結(jié)構(gòu)框圖

自由擺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 理論分析與計(jì)算

2.1 擺桿角度的測(cè)量方法

如圖2所示，經(jīng)實(shí)際測(cè)量，擺桿在0？觷，90？觷，180？觷位置時(shí)，電位器電壓值分別為U0、U1、U2。則擺桿與水平面的夾角為：a=180？觷×（U-U0）/（U3-U0）。其中U為AD轉(zhuǎn)換得到的電壓。

2.2 基本部分

2.2.1 基本部分1——平板跟隨自由擺轉(zhuǎn)動(dòng)

如圖2所示，假設(shè)擺桿的初始角度為？茁，則當(dāng)平板由初始位置轉(zhuǎn)到豎直位置時(shí)對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)90？觷。在執(zhí)行程序時(shí)，時(shí)刻對(duì)電位器的輸出電壓做AD轉(zhuǎn)換，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成擺桿的角度，將兩次測(cè)量的角度結(jié)果相減，從而求出步進(jìn)電機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。公式為Δ=90？觷×（a1-a2）/？茁，其中Δ為步進(jìn)電機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，a1、a2分別為兩次測(cè)量的擺桿與水平面的夾角。

2.2.2 基本部分2——平板帶硬幣自由擺動(dòng)

經(jīng)測(cè)試，當(dāng)平板與擺桿垂直時(shí)，擺桿擺動(dòng)時(shí)硬幣不會(huì)滑落。于是我們討論后決定以下方案：放下擺桿后，在很短的時(shí)間內(nèi)使擺桿與平板垂直，此后步進(jìn)電機(jī)不再轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖2所示，步進(jìn)電機(jī)8細(xì)分時(shí)步進(jìn)角為0.225？觷，轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)公式為：step=？茁/0.225？觷。

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1.1 角度測(cè)量電路

電位器WDD35D的阻值改變引起電壓的改變，通過(guò)AD7705進(jìn)行AD采樣轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的電壓輸入單片機(jī)，單片機(jī)將電壓值轉(zhuǎn)換為角度值。

3.1.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

通過(guò)TH6560AHQ芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而控制平板的狀態(tài)，使平板轉(zhuǎn)動(dòng)或保持角度狀態(tài)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)與工作流程圖

3.2.1 軟件設(shè)計(jì)

軟件實(shí)現(xiàn)的功能如下：平板隨擺桿旋轉(zhuǎn)3～5周子程序；平板帶硬幣自由擺動(dòng)子程序；平板帶激光筆指向中心線子程序（擺桿靜止）；平板帶激光筆指向中心線子程序（擺桿自由擺動(dòng)）等。

3.2.2 部分工作流程圖

系統(tǒng)部分流程圖如圖4、圖5所示。

4 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

4.1 測(cè)試儀器

4位半數(shù)值萬(wàn)用表勝利VC9807+、量角器、秒表。

4.2 基本部分功能測(cè)試

基本部分功能包括：實(shí)現(xiàn)了擺桿擺動(dòng)一個(gè)周期，平板旋轉(zhuǎn)一周的功能；在擺角為30？觷～45？觷時(shí)，實(shí)現(xiàn)了一枚硬幣在5個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)不從平板滑落的功能；在擺角為45？觷～60？觷時(shí)，實(shí)現(xiàn)了八枚硬幣在5個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)不從平板滑落的功能。

4.3 其他功能測(cè)試

其它功能測(cè)試結(jié)果如表1、表2所示。

4.4 創(chuàng)新部分功能測(cè)試

在本次設(shè)計(jì)中，出了完成題目要求外，還完成了一些創(chuàng)新功能：平板隨擺桿旋轉(zhuǎn)12周而角度偏差<45？觷；平板帶12枚硬幣80？觷時(shí)自由擺動(dòng)12個(gè)周期內(nèi)不從平板滑落的功能；在平板轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，平板轉(zhuǎn)動(dòng)位置到會(huì)有語(yǔ)音提示；用液晶實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示擺桿角度。

①平板隨擺桿旋轉(zhuǎn)12周而角度偏差<45？觷的測(cè)試如表3所示。

②平板帶12枚硬幣自由擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試如表4所示。

③語(yǔ)音提示功能測(cè)試。在每次旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中，平板轉(zhuǎn)到設(shè)定位置有語(yǔ)音提示。語(yǔ)音功能測(cè)試成功。

④液晶實(shí)時(shí)顯示擺桿角度。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)擺桿自由擺動(dòng)時(shí)，LCD實(shí)時(shí)顯示出擺桿的擺角。顯示功能測(cè)試成功。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，不但完成了基本要求發(fā)揮部分的功能，并增加了多個(gè)創(chuàng)新功能，如基本部分平板跟蹤自由擺轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)12圈，平板上放置12枚硬幣80？觷角時(shí)實(shí)現(xiàn)自由擺動(dòng)不掉落，語(yǔ)音提醒等功能。

參考文獻(xiàn)：

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