劉 佳,柴浩元
(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系,山西 太原 030006)
小球滾動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
劉 佳,柴浩元
(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系,山西 太原 030006)
該系統(tǒng)采用STC90C516單片機(jī)作為控制核心,對(duì)一端固定導(dǎo)軌上的小球?qū)崿F(xiàn)滾動(dòng)控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)由控制模塊、聲光報(bào)警模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、光電測(cè)距模塊和電源模塊組成。由51單片機(jī)PWM控制42步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)通過(guò)收放線圈以控制U型導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng),從而控制小球滾動(dòng),同時(shí)利用光電測(cè)距模塊檢測(cè)小球運(yùn)動(dòng)軌跡,最終實(shí)現(xiàn)小球在軌道上的定位和運(yùn)動(dòng),并在小球通過(guò)固定位置或者完成某項(xiàng)動(dòng)作后,觸動(dòng)聲光報(bào)警模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)報(bào)警。
STC90C516單片機(jī);小球滾動(dòng)控制;光電測(cè)距;步進(jìn)電機(jī);PWM
本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中主要包括:核心控制模塊STC90C516單片機(jī)[1]、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、聲光報(bào)警模塊和按鍵開關(guān)等功能模塊,系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)組成框圖
1.1 核心控制模塊的論證與選擇
方案一:采用目前大范圍使用的STC89C516系列單片機(jī)。此單片機(jī)的處理數(shù)據(jù)速度較快,運(yùn)算能力強(qiáng),軟件編程簡(jiǎn)單靈活,可控性大兼容性強(qiáng),能夠?qū)ν鈬娐穼?shí)現(xiàn)較理想的智能控制。
方案二:考慮系統(tǒng)的核心部件若選用一片CPLD(如EPM7128LC84-15)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)的處理功能。CPLD處理數(shù)據(jù)速度快、程序編寫容易、可利用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編程開發(fā)并且具有資源豐富、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。在控制上較單片機(jī)上有很大的優(yōu)勢(shì)。但CPLD結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,比較適用于在邏輯功能及數(shù)據(jù)處理速度兩方面要求比較高的系統(tǒng)方案里。
方案三:采用TI公司的16位MSP430F2011單片機(jī)。此單片機(jī)體積不大、系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率最高可達(dá)49 MHz,并且功能較強(qiáng),在集成度、兼容性及性價(jià)比方面都表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì);但MSP4330F2011內(nèi)部只集成了模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器,沒(méi)有數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換器。所以外圍電路必須加上12位D/A。這樣電路變得復(fù)雜,給編程帶來(lái)困難。
綜合以上三種方案,選擇采用方案一。
1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的論證與選擇
方案一:采用直流電機(jī)。直流電機(jī)控制相對(duì)簡(jiǎn)單,但是定位精度不高,可用于對(duì)速度要求高,而對(duì)位移定位不高的系統(tǒng)。
方案二:采用步進(jìn)電機(jī)28BYJ48型四相八拍電機(jī),電壓為DC5 V~DC12 V??赏ㄟ^(guò)脈沖控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),但扭矩力較小,無(wú)法驅(qū)動(dòng)較復(fù)雜的系統(tǒng)。
方案三:采用5相42步進(jìn)電機(jī),該步進(jìn)電機(jī)定位精確,適合應(yīng)用于位移精確定位系統(tǒng)中。5相42步進(jìn)電機(jī)定位精度高,輸出力矩高,響應(yīng)頻率高,加減速時(shí)間較短,動(dòng)態(tài)慣性較低運(yùn)行噪音低,動(dòng)態(tài)特性好。
考慮本小球系統(tǒng)的特點(diǎn),選擇方案三。
1.3 測(cè)距模塊的論證與選擇
方案一:采用紅外測(cè)距模塊。紅外測(cè)距電路簡(jiǎn)單,操作方便,具有較強(qiáng)的發(fā)射和接收能力。但傳感器在本系統(tǒng)中檢測(cè)存在多個(gè)盲區(qū)。在測(cè)試過(guò)程當(dāng)中,很難檢測(cè)到直徑較小的物體,誤差較大。
方案二:采用超聲波測(cè)距模塊。超聲波檢測(cè)具有快速簡(jiǎn)便、易于控制的優(yōu)點(diǎn),但在實(shí)際應(yīng)用中容易受環(huán)境因素影響測(cè)量精度。
方案三:光電傳感器測(cè)距模塊[2]。光電檢測(cè)方法可以對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè),具有測(cè)試精準(zhǔn)、反應(yīng)速度快、不直接接觸等優(yōu)點(diǎn),傳感器的體積小,安裝靈活,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,在測(cè)試過(guò)程中,易檢測(cè)到體積較小的物體,容易控制。
結(jié)合本系統(tǒng)的測(cè)試需求,選擇方案三。
在整個(gè)控制系統(tǒng)中,通過(guò)位置的檢測(cè)、水平調(diào)零、角度檢測(cè)以及導(dǎo)軌的控制才能實(shí)現(xiàn)小球在軌道上靈活滾動(dòng)并定位。
1) 位置的檢測(cè):利用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量光電傳感器輸出信號(hào)的電壓,當(dāng)小球通過(guò)既定位置時(shí),即有障礙物通過(guò),輸出高電平;否則,輸出低電平。
2) 水平調(diào)零:將小球控制系統(tǒng)臺(tái)放置于測(cè)試桌后,為避免測(cè)試桌的傾角影響小球的控制的準(zhǔn)確性,在小球運(yùn)動(dòng)控制前,首先對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行調(diào)零,即通過(guò)上、下按鍵,將導(dǎo)軌調(diào)至水平位置,并在軌道25 cm~35 cm范圍內(nèi)放置小球驗(yàn)證是否水平,確定軌道水平后,通過(guò)按鍵操作,記錄當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)的初始位置為0,在此后的所有控制運(yùn)動(dòng)中再記錄步進(jìn)電機(jī)的偏移位置。
3) 角度檢測(cè):我們采用的步進(jìn)電機(jī)的步距角為0.72°,即500步完成一周轉(zhuǎn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)輪的半徑為r,那么電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步,對(duì)應(yīng)的提升線的移動(dòng)距離:d=(2×π×r)/500,再根據(jù)(如圖2):sina=(d/2)/60計(jì)算出角a,再由b=2a計(jì)算出偏移角度。
4) 導(dǎo)軌控制方法:如圖3所示,在a,b,c,d,e五個(gè)位置放置光電檢測(cè)器。先將導(dǎo)軌左端降低,使小球從起始端(右端)開始向左運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)e點(diǎn)時(shí),光電傳感器將信號(hào)送至單片機(jī),單片機(jī)控制導(dǎo)軌水平,小球繼續(xù)向左運(yùn)動(dòng),當(dāng)經(jīng)過(guò)c點(diǎn)后,再控制導(dǎo)軌左端升高,小球在慣性運(yùn)動(dòng)后,反向從左向右運(yùn)動(dòng),再次經(jīng)過(guò)c點(diǎn)后,控制導(dǎo)軌左端降低,從而使小球在導(dǎo)軌上往復(fù)運(yùn)動(dòng)。為保證小球能在導(dǎo)軌的5 cm~55 cm范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng),單片機(jī)會(huì)通過(guò)b,d光電檢測(cè)器識(shí)別小球運(yùn)動(dòng)方向和速度,再結(jié)合模糊控制法,準(zhǔn)確控制小球不超出5 cm~55 cm的運(yùn)動(dòng)范圍。
圖2 角度示意圖
圖3 導(dǎo)軌位置示意圖
3.1 電路設(shè)計(jì)
3.1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)
小球滾動(dòng)控制系統(tǒng)的核心控制模塊采用STC89C51系列單片機(jī),其最小系統(tǒng)電路圖如圖4所示。
圖4 最小系統(tǒng)電路圖
3.1.2 聲光報(bào)警系統(tǒng)
當(dāng)小球滾動(dòng)到導(dǎo)軌兩端時(shí),觸發(fā)器工作,啟動(dòng)聲光報(bào)警系統(tǒng)[3]。聲光報(bào)警電路圖如圖5所示。
圖5 聲光報(bào)警電路圖
3.1.3 獨(dú)立按鍵系統(tǒng)
通過(guò)獨(dú)立按鍵系統(tǒng)來(lái)控制51單片機(jī)[4],以便各項(xiàng)程序運(yùn)行,最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中所設(shè)定的各項(xiàng)任務(wù)。獨(dú)立按鍵電路圖如圖6所示。
圖6 獨(dú)立按鍵電路圖
3.1.4 電源系統(tǒng)
電源系統(tǒng)由電源模塊提供一個(gè)+5 V和+24 V的輸出電壓,因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)被提供+5 V電壓,所以需要三端集成穩(wěn)壓器7 812進(jìn)行穩(wěn)壓工作,將24 V的電壓穩(wěn)壓成12 V,以確保電路的正常穩(wěn)定工作。電路簡(jiǎn)單,故不作詳述。
3.2 程序設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)程序主要包括:主控程序模塊、按鍵處理程序模塊、紅外測(cè)距采樣數(shù)據(jù)處理子程序、定時(shí)器子程序等幾個(gè)部分,如圖7所示。
圖7 程序流程圖
4.1 測(cè)試方案
1) 硬件測(cè)試:利用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量光電傳感器輸出信號(hào)的電壓,當(dāng)小球通過(guò)既定位置時(shí),即有障礙物通過(guò),輸出高電平;否則,輸出低電平。
2) 軟件測(cè)試:通過(guò)按鍵4或5來(lái)調(diào)制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度及轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù),并通過(guò)收放線圈,使導(dǎo)軌調(diào)整角度;通過(guò)按鍵3,將導(dǎo)軌調(diào)制水平,并保存當(dāng)前位置。
4.2 測(cè)試條件與儀器
測(cè)試條件:必須將裝置放置與水平桌面;軌道必須平直光滑,長(zhǎng)度60 cm;小球硬質(zhì)光滑均質(zhì),直徑在6 mm~20 mm;硬件電路保證無(wú)虛焊。
測(cè)試儀器:數(shù)字萬(wàn)用表、量角器、皮尺、數(shù)字示波器。
4.3 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果分析
經(jīng)測(cè)試和不斷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)后,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)原理圖無(wú)問(wèn)題,硬件電路完全可以實(shí)現(xiàn)其題目要求的功能。光電傳感器數(shù)據(jù)誤差在1 cm~2 cm之間,符合要求。
4.3.1 測(cè)試數(shù)據(jù)
表1 小球往復(fù)運(yùn)動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)
表2 小球在往復(fù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下通過(guò)指令使其靜止時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)
表3 小球往復(fù)運(yùn)動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)
4.3.2 測(cè)試分析與結(jié)論
根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù),由此可以得出以下結(jié)論:
1) 小球觸碰軌道兩端光電傳感器時(shí),聲光報(bào)警器會(huì)工作,有明顯的聲音信號(hào)響出,以及發(fā)光二極管發(fā)出光閃爍指示。10 s可以將導(dǎo)軌從正負(fù)15°范圍內(nèi)調(diào)整至水平,小球在任一個(gè)區(qū)間都達(dá)到靜止不動(dòng)。達(dá)到題目要求。2) 根據(jù)測(cè)試,小球在13 s內(nèi)在導(dǎo)軌上往復(fù)運(yùn)動(dòng)3次,這3次平均中心位置為29.2 cm,符合題目要求的5 cm~55 cm區(qū)間范圍。3) 通過(guò)多次測(cè)試,并取樣三組數(shù)據(jù),小球平均在14 s內(nèi)停止在31 cm位置區(qū)域內(nèi),并保持10 s以上。4) 根據(jù)測(cè)試,小球在26 s內(nèi)在導(dǎo)軌上往復(fù)運(yùn)動(dòng)4次,這4次平均中心位置為30 cm,偏離中心最大位移為19 cm,符合題目要求的5 cm~25 cm區(qū)間。
[1] 宋海蘭.單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013.
[2] 黃志偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽訓(xùn)練教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.
[3] 吳運(yùn)昌.模擬電子線路基礎(chǔ)[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2004.
[4] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,1997.
Design and Implementation of a Ball Rolling Control System
Liu Jia, Chai Haoyuan
(ElectronicInformationEngineeringDepartment,ShanxiPolytechnicCollege,TaiyuanShanxi030006,China)
The system adopts STC90C516 single chip microcomputer as control core to control a ball rolling on guide rail which one end is fixed. The system design is composed of control module, sound and light alarm module, motor drive module, photoelectric ranging module and power module. The PWM control 51 single-chip microcomputer is used to control the positive inversion of 42 stepper motor by retracting the coil to control u rail movement up and down, and then control the ball rolling. At the same time, the photoelectric ranging module is used to detect the ball movement, and finally realizes the ball movement and positioning in orbit. After the ball is in a fixed position or a certain action is completed, the audible and visual alarm module is used to make the alarm.
STC90C516 microcontroller; ball rolling control; electro-optical distance; stepping motor; PWM
2017-03-03
劉 佳(1983- ),女,山西大同人,講師,太原理工大學(xué)在讀博士研究生,主要從事通信與信息系統(tǒng)的教學(xué)研究。
1674- 4578(2017)02- 0021- 04
TP273
A