基于電磁控制的周期運動裝置設計

【摘要】本系統以單擺為控制對象，通過電磁控制方式，設計電路實現對周期性運動裝置的運動幅度（擺角）和周期（頻度）的控制。控制核心采用ATMEL公司的ATmega16A，電磁線圈驅動器采用L298，角度檢測采用MMA7455重力加速度傳感器，顯示采用LCD12864。通過PWM來控制線圈電流大小調節磁場強度，從而實現單擺擺動擺角和周期的控制。

【關鍵詞】電磁控制；單擺；ATmega16A；L298；角度傳感器MMA7455

1.系統方案

本系統主要包括七大部分：控制器、角度傳感模塊、鍵盤輸入模塊、顯示模塊、線圈及驅動模塊、聲光提示模塊、電源。系統構成如圖1所示。

1.1 電磁線圈

電磁線圈是本運動裝置的動力源，采用2個相同繞制的線圈產生驅動磁場。鐵芯采用工業純鐵棒，0.35mm線徑銅漆包線繞制，直徑40mm*長度40mm，單線繞制，磁力大小取決于安匝數，即線圈電流和匝數的乘積。

1.2 控制器

采用ATmega16A單片機作為主控芯片。AT-mega16A是ATMEL公司的 8位系列單片機中的一款，應用極其廣泛，具有如下特點：（1）高性能、低功耗；（2）先進的RISC結構；（3）16K字節的系統內可編程Flash，512字節的EEPROM，1K字節的SRAM；（4）JTAG 接口，可實現對Flash、EEPROM電線編程；（5）2個具有獨立預分頻器和比較器功能的8位定時器/計數器，1個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數器；（6）4通道PWM；（7）8路10位ADC；（8）兩個可編程的串行USART，可工作于主機/從機模式的SPI 串行接口；（9）具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器；（10）片內模擬比較器；（11）32個可編程的I/O口。

1.3 線圈驅動模塊

采用L298驅動電磁線圈。L298是一款高壓、大電流雙全橋式驅動器，可以直接通過電源來調節輸出電壓，具有輸出電壓高（最高可達50V），可靠性高，占用空間小等特點。該芯片可以直接受控于單片機IO口提供的信號，因此，電路簡單，控制方便。

1.4 角度傳感模塊

MMA7455 是一款數字輸出（I2C/SPI）、低功耗、緊湊型電容式微機械三軸加速度計，具有信號調理、低通濾波器、溫度補償、自測、可配置通過中斷引腳（INT1或INT2）檢測0g、以及脈沖檢測（用于快速運動檢測）等功能。0g偏置和靈敏度是出廠配置，無需外部器件。客戶可使用指定的0g寄存器和g-Select 量程選擇對0g偏置進行校準，量程可通過命令選擇3個加速度范圍（2g/4g/8g）。該模塊輸出精確高，體積小，工作可靠，輸出為數字量等特點。

1.5 鍵盤輸入模塊

設置6個獨立按鍵，分別用于start/stop （啟動/停止）、set（設置）、up（增）、down9減）、enter（確定）、back（返回）。

1.6 顯示模塊

采用12864漢字圖形點陣液晶顯示。12864液晶顯示模塊是128×64點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內置8192 個中文漢字（16X16點陣）、128個字符（8X16點陣）及64X256點陣顯示RAM（GDRAM）。可與CPU直接接口，提供兩種界面來連接微處理機：8-位并行及串行兩種連接方式。具有多種功能：光標顯示、畫面移位、睡眠模式等。

2.原理分析

2.1 電磁控制原理

電磁控制采用PWM原理，通過PWM控制通過電磁鐵的電流。

本系統的電磁控制電路的主要組成包括：PWM信號發生、L298驅動電路。由Atmega16A內部T/C2產生的固定的8位精度的PWM波作為驅動芯片L298的輸入信號，通過L298控制電磁的通電情況來調節擺桿角度。電磁控制電路的框圖如圖2所示。

PWM原理：PWM是占空比不同的連續的方波。圖3為典型的PWM脈寬調整波形。圖3中：T是PWM波的周期；T1是高電平寬度；T1/T稱為PWM波的占空比。調節和改變T1的寬度，即可改變PWM的占空比。當該PWM波通過一個積分器后，可以得到其輸出的平均電壓為：

2.2 角度測量原理

本系統角度測量利用的原理是重力加速度計轉換成傾斜角的基本原理：即當加速度計傾斜角與加速度計3軸輸出成一定對應關系。已知傳感器的加速度大小，由兩者的關系可以求出傾斜角。將MMA7455加速度測量模塊固定在單擺上，并使之與單擺擺角面垂直。當帆板傾斜角發生變化時，MMA7455輸出的加速度發生相應變化。

采用單軸（z軸）傾斜計算法來計算帆板的偏轉角度。根據基本三角定理有：Z軸方向的重力投影等于重力的正弦分量。

在本題目中，擺板傾斜角與z軸輸出加速度的關系如圖4所示。即：

3.電路設計

3.1 單片機控制電路

AVR最小系統由ATmega16A單片機（如圖5所示），ISP下載端口，晶振，復位電路及電源組成。

3.2 L298驅動電路

該電路為L298的接線電路（如圖6所示）。本電路使能端（EN A和EN B）接高電平，通過控制輸入IN1，IN2和IN3，IN4來控制電機。L298可以驅動兩個電機，OUT1，OUT2為一個輸出組，OUT3，OUT4為另一個輸出組。本系統只要驅動一個電磁線圈，只要用到一個輸出組。IN1，IN2控制OUT1，OUT2的輸入電平。本系統將單片機產生的PWM波接電磁線圈的兩端，使得用PWM來控制IN1和IN2。所以，PWM占空比不同，電磁周圍的磁場強度也不一樣。

3.3 角度測量電路

MMA7455是數字輸出（如圖7所示），有I2c和SPI兩種總線可選，內部有AD，與主控芯片連接好，當改變傳感器的傾斜角度會觸發中斷并向主控芯片發送變化的數據，主控芯片可以通過讀取MMA7455不同寄存器的值來確定角度的改變。

3.4 鍵盤模塊電路設計

鍵盤模塊電路設計如圖8所示。

3.5 LCD12864顯示模塊電路

LCD12864顯示模塊電路如圖9所示。

3.6 聲光提示模塊電路設計

聲光提示模塊電路如圖10所示。

5.后語

本裝置以單擺作為控制對象，采用電磁方式實現擺幅和周期控制，為非接觸式周期性運動裝置控制提供了一種方案。實測數據表明控制誤差稍大，可進一步通過改進電磁線圈繞制以及優化角度傳感器MMA7455的較正算法得到降低。