基于STC89C52的電磁控制運動裝置

黃軍友

摘 要： 為了利用電磁控制實現擺桿按指定角度和周期運動，采用STC89C52單片機為主控芯片，ADXL345數字式3軸角度傳感器實時檢測擺桿角度，自適應算法算出擺桿擺動所需的時間，L298N驅動芯片在PWM脈沖信號控制下驅動電磁鐵；LCD12864液晶顯示屏顯示預設參數。測試結果表明，擺動擺角絕對誤差≤1°，最大啟動響應時間≤9 s；最大停止響應時間≤10 s。

關鍵詞： 電磁控制； 三軸角度傳感器； 周期檢測； 自適應算法

中圖分類號： TN602?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0121?04

0 引 言

電磁控制運動裝置靠電磁力直接驅動，通過控制線圈中電流的大小來控制電磁力的大小，帶動裝置運動部份產生相應的精密位移[1]。磁力的非接觸性可以達到很高的精度[2]。多維電磁驅動裝置，能多自由度的運動，在半導體加工、顯微鏡掃描、微裝配和快速成型等領域有著重要的應用[3]。

1 方案設計與選擇

1.1 電磁鐵系統

方案一：采用兩個普通電磁鐵來推動擺桿擺動，選材簡單成本低。兩個電磁鐵分別安放在距擺桿中心點5 cm的位置，并與擺桿擺動的平面在同一直線上，保證擺桿受力均勻。當擺桿擺過最低點時一個電磁鐵通正向電流，另一個通反向電流，使一個電磁鐵產生推力另一個產生吸引力來推動擺桿擺動。優點是擺動小角度時能精確控制。缺點是擺動角度增大時，距離遠時電磁鐵失去作用，無法控制。如圖1所示。

圖1 電磁系統方案結構圖

方案二：采用一個電磁鐵放在擺桿最低點位置，當擺桿擺過最低點時給它一個推力，控制電流的大小來控制推力的大小，實現角度的控制。優點是只用一個電磁鐵，不會出現方案一中的失控狀態[4]。每次擺桿擺過最低點時就給它通一次反向電流，使之產生一個排斥力，推動擺桿擺動。缺點是電磁鐵本身具有鐵芯，當擺桿擺到最低點時就會吸引住擺桿上的磁鐵，使得控制不準確，擺動角度誤差大。如圖1所示。

方案三：鑒于方案二中出現最低點失控的問題，將電磁鐵中的鐵芯去掉，雖然磁力減小，但考慮到擺桿自身阻力較小，磁力足以推動擺桿擺動，也不會出現最低點失控的狀態。如圖1所示。基于以上分析，采用方案三。

1.2 控制器模塊

STC12C5A60S2是單指令周期單片機，成本較低，運行速度比普通51單片機快12倍，擁有超強的抗干擾能力[5]。由于運行速度太快，傳感器的速度不易跟上，容易造成讀取數據時數據丟失。MSP430系列單片機，具有低功耗，速度快等優勢，完全滿足設計要求，但成本較高，調試不便。STC89C52單片機成本低，具有32個I/O口，工作電壓為5 V，與傳感器工作電壓相同，電源選擇容易。系統單片機與角度傳感器的通信采用串口通信，程序設計方便[6]?；谝陨戏治?，采用STC89C52。

1.3 電磁鐵驅動模塊

設計應考慮到電磁鐵驅動模塊能夠驅動大功率的電磁鐵。L298N模塊是專用驅動集成電路，屬于H橋集成電路，其輸出電流增大，功率增強，可以驅動感性負載[7]。輸入端與單片機直接相聯，方便地受單片機控制?？梢灾苯涌刂苾陕冯姶盆F和實現電磁鐵正反控制，實現此功能只需改變輸入端的邏輯電平[8]。L9110是為控制和驅動電機設計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，分立電路集成在單片IC中，外圍器件成本降低，整機可靠性提高[9]。該芯片具有良好的抗干擾性。L9110驅動大功率的電磁鐵上稍顯困難。本裝置設計所用的電磁鐵是大功率的，優先選擇L298N。

1.4 顯示模塊

采用LED數碼管顯示，優點是能夠高亮度地顯示數字信息，硬件成本低；缺點是占用單片機的接口太多，顯示信息量少，需要循環顯示，占用太多程序資源[10]。采用LCD1602顯示，占用單片機的接口較少，能夠顯示數學符號，且價格便宜，但顯示的信息量較少，不能夠顯示漢字字符。采用LCD12864顯示，能夠顯示漢字和一些復雜的數學符號，除此之外能夠顯示多種信息，人機界面處理較好，故考慮選擇LCD12864。

1.5 角度的檢測

角度檢測模塊是系統設計的重要組成部分，裝置需要用角度傳感器來測量擺桿與垂直方向之間的夾角[11]。電磁鐵驅動擺桿時，擺桿會偏移原來的位置，與垂直方向有一個夾角，但這個夾角的偏移誤差需要控制在一定的范圍內，因此要求角度傳感器的精度高，頻率快。AME?B001角度傳感器，0～360°測量范圍，安裝不方便，電壓輸出信號，采集不便。ADXL345是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計、分辨率高（13位），低功耗模式支持基于運動的智能電源管理，能以極低的功耗進行閥值感測和運動加速度測量[12]。SCA100T高精度雙軸傾角傳感器為數字SPI輸出模式，測量分辨率可達到0.000 3°，具有靈敏度極高，抗沖擊，抗震動等諸多優點，但采用該傳感器所需要的硬件電路相對復雜[13]。從成本控制和硬件復雜度上考慮，采用ADXL345。

1.6 PWM信號產生

單獨采用達林頓管組成的H型PWM電路。用單片機控制達林頓使之工作在占空比可調的開關狀態，精確調整電磁鐵的電流，電路工作在飽和和截止模式下，效率高。H型PWM電路保證了可以簡單地實現電流方向的控制；電子開關的速度非常快，穩定性也極強，是一種廣泛使用的電路[14]。此方案中不需要用到復雜的電路，因此采用由單片機自帶的定時器提供脈沖的PWM脈沖調速，給單片機的定時器賦初值，使其產生一定周期的脈沖，不斷調整占空比，實現無級調速。此方法不需添加外圍電路，制作難度降低，在控制電磁鐵通斷和電流時較方便，符合系統方案的設置要求。

1.7 聲音提示

裝置中并不需要用到高級的語音芯片。采用蜂鳴器來實現信息提示。蜂鳴器操作起來簡單方便，本設計中，程序完成任務后，只需給單片機一個提示，不需要提示復雜的信息。

2 總體設計

總體結構示意圖如圖2所示，主要由高精度角度傳感器檢測模塊、電磁控制裝置、單片機控制系統、按鍵模塊、LCD顯示模塊、聲音提示模塊等構成。系統采用高精度角度傳感器實時檢測，將角度傳感器粘接在擺桿上，擺桿擺動角度實時由角度傳感器檢測，當角度由0°開始到下一個0°時間即為半個擺動周期時間。傳感器將角度值傳送給控制系統，控制系統根據角度值輸出PWM脈沖，控制電磁控制裝置，達到控制角度與周期的目的。

圖2 系統結構框圖

采用高精度角度傳感器ADXL345實時檢測，其輸入電壓為5 V，輸出電壓對應角度值，與角度值成正比，輸出精度為0.1%，滿足設計需要。當單片機輸出的PWM波為0°時，角度自動判斷角度并通過軟件設定為參考0°，具有自動檢測調整零度值功能。單擺周期[T=]2×3.14×sqrt[（lg），]其中[l]為擺長1 130 mm，[g]為重力加速度取值9.8。計算出擺桿自由擺動時周期[T=]723 ms。在電磁控制裝置的控制下此周期可增加或減小。

3 硬件設計

3.1 單片機最小系統

用復位電路、晶振電路、電源電路構成單片機最小系統，外接12864液晶顯示器、電磁鐵驅動模塊、角度傳感器模塊、按鍵模塊等，實現各功能。如圖3所示。

圖3 單片機最小系統

3.2 電磁鐵驅動模塊

以L298N為電磁鐵驅動芯片，L298N的12個H橋下側橋晶體管的發射極連在一起，使能端ENA使能之后通過控制IN1，IN2，當IN1為PWM信號，IN2為低電平時電磁鐵通過正向電流產生推力，推動擺桿擺動，反之產生吸引力，使擺桿停止。通過改變PWM的占空比改變流過電磁鐵的電流，控制推力的大小。角度傳感器實時檢測擺桿角度的變化，將信號傳遞給單片機由單片機來調節PWM的占空比，從而改變擺桿的擺動，實現循環擺動。如圖4所示。

4 軟件實現流程

系統是由幾個模塊相互組合而成，在軟件編程的時候，模塊分別編寫，系統組裝完成后，再進行模塊化編程，提高程序調試的效率。軟件實現的功能主要有：讀角度傳感器角度；給電磁裝置脈沖；PWM脈寬調制；聲音提示；輸入周期、轉角，實際周期、轉角顯示；匯總等。主程序流程、角度傳感器程序流程、 PWM信號控制程序流程如圖5所示。

圖4 電磁鐵驅動模塊

圖5 程序流程

5 系統測試

采用KJ9205萬用表、YB4320A示波器、SS33233雙路可跟蹤直流穩壓電源、0～300 mm游標卡尺，秒表等儀器（工具）進行測試。角度測試結果見表1，周期測試結果如表2所示。

表1 角度測試

[預設擺角

/（°）＼&實際擺角

/（°）＼&誤差

/（°）＼&啟動響應

時間 /s＼&停止響應

時間 /s＼&10＼&11＼&1＼&5＼&9＼&15＼&16＼&1＼&5＼&6＼&20＼&19＼&1＼&4＼&10＼&25＼&24＼&1＼&8＼&6＼&30＼&29＼&1＼&8＼&7＼&35＼&34＼&1＼&7＼&7＼&40＼&41＼&1＼&9＼&8＼&45＼&44＼&1＼&9＼&9＼&]

表2 周期測試

[預設周期 /s＼&實際周期 /s＼&誤差 /s＼&啟動響應時間 /s＼&停止響應時間 /s＼&0.6＼&0.6＼&0＼&5＼&9＼&]

由于存在機械摩擦阻力和電磁鐵在斷電時磁力不能馬上消退等原因，實際擺角和周期與預設的擺角和周期有一定的誤差。啟動響應時間和停止響應時間比較理想。

6 結 語

基于STC89C52的電磁控制運動裝置，外形尺寸長寬高均不大于300 mm，擺桿支撐軸中心點到擺桿底端的長度在100～150 mm范圍內。達到如下功能：按下啟動按鈕，由靜止點開始，控制擺桿擺動；由靜止點開始，控制擺桿在10°～45°范圍內擺角連續擺動，擺動擺角絕對誤差≤1°，響應時間≤10 s；由靜止點開始，按指定周期（0.5～2 s范圍內）控制擺桿連續擺動，擺動周期絕對誤差值為0，響應時間為5 s；在擺桿連續擺動的情況下，按下停止按鈕，控制擺桿平穩地停在靜止點上，停止時間為9 s；擺桿擺角幅度能在10°～45°范圍內預置，預置步進值為5°，擺角幅度絕對誤差值≤1°，響應時間≤9 s；能進行聲、光提示，但周期只能固定在0.6 s，預設周期功能還有待完善。

參考文獻

[1] 李恒，朱煜，賈松濤，等.電磁式超精密微動工作臺研究現狀與方向[J].現代機械，2007（2）：1?3.

[2] 邵傳龍.磁力軸承的模糊控制研究[D].武漢：武漢理工大學，2012.

[3] 黃曉燕，馮西安，高天德.基于CompactRIO的多通道陣列數據采集系統實現[J].測控技術，2009（12）：17?19.

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[5] 程志，肖繼學，李世璽.交流電力智能傳感器粗信號處理實驗硬件系統設計[J].西華大學學報：自然科學版，2011（4）：68?71.

[6] 江賢志，左傳友，劉華章.基于C8051F020單片機的實時測控裝置設計[J].現代電子技術，2013，36（2）：132?134.

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[8] 楊朋飛.微型介入機器人控制系統設計及其綜合性能實驗分析[D].南京：南京航空航天大學，2010.

[9] 王瑩.基于Atmega128的智能溫度采集機器人[J].計算機光盤軟件與應用，2012（21）：214?216.

[10] 宋艷麗，宋武.基于單片機的智能數字溫度計的設計[J].黃岡職業技術學院學報，2011（2）：99?102.

[11] 王建行，李莉莉，劉娟意.基于單擺的自動平板控制系統[J].浙江海洋學院學報：自然科學版，2012（3）：270?274.

[12] 王波.基于FPGA的雙核導航計算機系統設計[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

[13] 趙偉，謝秀秀，宋茂忠.基于SCA100T的傾角測量系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2012（10）：29?32.

[14] 蔣曉剛，徐守品，蔡華春.全自動多片式液基薄層細胞涂片機中的控制系統設計[J].機床與液壓，2011（16）：101?103.

1.7 聲音提示

裝置中并不需要用到高級的語音芯片。采用蜂鳴器來實現信息提示。蜂鳴器操作起來簡單方便，本設計中，程序完成任務后，只需給單片機一個提示，不需要提示復雜的信息。

2 總體設計

總體結構示意圖如圖2所示，主要由高精度角度傳感器檢測模塊、電磁控制裝置、單片機控制系統、按鍵模塊、LCD顯示模塊、聲音提示模塊等構成。系統采用高精度角度傳感器實時檢測，將角度傳感器粘接在擺桿上，擺桿擺動角度實時由角度傳感器檢測，當角度由0°開始到下一個0°時間即為半個擺動周期時間。傳感器將角度值傳送給控制系統，控制系統根據角度值輸出PWM脈沖，控制電磁控制裝置，達到控制角度與周期的目的。

圖2 系統結構框圖

采用高精度角度傳感器ADXL345實時檢測，其輸入電壓為5 V，輸出電壓對應角度值，與角度值成正比，輸出精度為0.1%，滿足設計需要。當單片機輸出的PWM波為0°時，角度自動判斷角度并通過軟件設定為參考0°，具有自動檢測調整零度值功能。單擺周期[T=]2×3.14×sqrt[（lg），]其中[l]為擺長1 130 mm，[g]為重力加速度取值9.8。計算出擺桿自由擺動時周期[T=]723 ms。在電磁控制裝置的控制下此周期可增加或減小。

3 硬件設計

3.1 單片機最小系統

用復位電路、晶振電路、電源電路構成單片機最小系統，外接12864液晶顯示器、電磁鐵驅動模塊、角度傳感器模塊、按鍵模塊等，實現各功能。如圖3所示。

圖3 單片機最小系統

3.2 電磁鐵驅動模塊

以L298N為電磁鐵驅動芯片，L298N的12個H橋下側橋晶體管的發射極連在一起，使能端ENA使能之后通過控制IN1，IN2，當IN1為PWM信號，IN2為低電平時電磁鐵通過正向電流產生推力，推動擺桿擺動，反之產生吸引力，使擺桿停止。通過改變PWM的占空比改變流過電磁鐵的電流，控制推力的大小。角度傳感器實時檢測擺桿角度的變化，將信號傳遞給單片機由單片機來調節PWM的占空比，從而改變擺桿的擺動，實現循環擺動。如圖4所示。

4 軟件實現流程

系統是由幾個模塊相互組合而成，在軟件編程的時候，模塊分別編寫，系統組裝完成后，再進行模塊化編程，提高程序調試的效率。軟件實現的功能主要有：讀角度傳感器角度；給電磁裝置脈沖；PWM脈寬調制；聲音提示；輸入周期、轉角，實際周期、轉角顯示；匯總等。主程序流程、角度傳感器程序流程、 PWM信號控制程序流程如圖5所示。

圖4 電磁鐵驅動模塊

圖5 程序流程

5 系統測試

采用KJ9205萬用表、YB4320A示波器、SS33233雙路可跟蹤直流穩壓電源、0～300 mm游標卡尺，秒表等儀器（工具）進行測試。角度測試結果見表1，周期測試結果如表2所示。

表1 角度測試

[預設擺角

/（°）＼&實際擺角

/（°）＼&誤差

/（°）＼&啟動響應

時間 /s＼&停止響應

時間 /s＼&10＼&11＼&1＼&5＼&9＼&15＼&16＼&1＼&5＼&6＼&20＼&19＼&1＼&4＼&10＼&25＼&24＼&1＼&8＼&6＼&30＼&29＼&1＼&8＼&7＼&35＼&34＼&1＼&7＼&7＼&40＼&41＼&1＼&9＼&8＼&45＼&44＼&1＼&9＼&9＼&]

表2 周期測試

[預設周期 /s＼&實際周期 /s＼&誤差 /s＼&啟動響應時間 /s＼&停止響應時間 /s＼&0.6＼&0.6＼&0＼&5＼&9＼&]

由于存在機械摩擦阻力和電磁鐵在斷電時磁力不能馬上消退等原因，實際擺角和周期與預設的擺角和周期有一定的誤差。啟動響應時間和停止響應時間比較理想。

6 結 語

基于STC89C52的電磁控制運動裝置，外形尺寸長寬高均不大于300 mm，擺桿支撐軸中心點到擺桿底端的長度在100～150 mm范圍內。達到如下功能：按下啟動按鈕，由靜止點開始，控制擺桿擺動；由靜止點開始，控制擺桿在10°～45°范圍內擺角連續擺動，擺動擺角絕對誤差≤1°，響應時間≤10 s；由靜止點開始，按指定周期（0.5～2 s范圍內）控制擺桿連續擺動，擺動周期絕對誤差值為0，響應時間為5 s；在擺桿連續擺動的情況下，按下停止按鈕，控制擺桿平穩地停在靜止點上，停止時間為9 s；擺桿擺角幅度能在10°～45°范圍內預置，預置步進值為5°，擺角幅度絕對誤差值≤1°，響應時間≤9 s；能進行聲、光提示，但周期只能固定在0.6 s，預設周期功能還有待完善。

參考文獻

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[9] 王瑩.基于Atmega128的智能溫度采集機器人[J].計算機光盤軟件與應用，2012（21）：214?216.

[10] 宋艷麗，宋武.基于單片機的智能數字溫度計的設計[J].黃岡職業技術學院學報，2011（2）：99?102.

[11] 王建行，李莉莉，劉娟意.基于單擺的自動平板控制系統[J].浙江海洋學院學報：自然科學版，2012（3）：270?274.

[12] 王波.基于FPGA的雙核導航計算機系統設計[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

[13] 趙偉，謝秀秀，宋茂忠.基于SCA100T的傾角測量系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2012（10）：29?32.

[14] 蔣曉剛，徐守品，蔡華春.全自動多片式液基薄層細胞涂片機中的控制系統設計[J].機床與液壓，2011（16）：101?103.

1.7 聲音提示

裝置中并不需要用到高級的語音芯片。采用蜂鳴器來實現信息提示。蜂鳴器操作起來簡單方便，本設計中，程序完成任務后，只需給單片機一個提示，不需要提示復雜的信息。

2 總體設計

總體結構示意圖如圖2所示，主要由高精度角度傳感器檢測模塊、電磁控制裝置、單片機控制系統、按鍵模塊、LCD顯示模塊、聲音提示模塊等構成。系統采用高精度角度傳感器實時檢測，將角度傳感器粘接在擺桿上，擺桿擺動角度實時由角度傳感器檢測，當角度由0°開始到下一個0°時間即為半個擺動周期時間。傳感器將角度值傳送給控制系統，控制系統根據角度值輸出PWM脈沖，控制電磁控制裝置，達到控制角度與周期的目的。

圖2 系統結構框圖

采用高精度角度傳感器ADXL345實時檢測，其輸入電壓為5 V，輸出電壓對應角度值，與角度值成正比，輸出精度為0.1%，滿足設計需要。當單片機輸出的PWM波為0°時，角度自動判斷角度并通過軟件設定為參考0°，具有自動檢測調整零度值功能。單擺周期[T=]2×3.14×sqrt[（lg），]其中[l]為擺長1 130 mm，[g]為重力加速度取值9.8。計算出擺桿自由擺動時周期[T=]723 ms。在電磁控制裝置的控制下此周期可增加或減小。

3 硬件設計

3.1 單片機最小系統

用復位電路、晶振電路、電源電路構成單片機最小系統，外接12864液晶顯示器、電磁鐵驅動模塊、角度傳感器模塊、按鍵模塊等，實現各功能。如圖3所示。

圖3 單片機最小系統

3.2 電磁鐵驅動模塊

以L298N為電磁鐵驅動芯片，L298N的12個H橋下側橋晶體管的發射極連在一起，使能端ENA使能之后通過控制IN1，IN2，當IN1為PWM信號，IN2為低電平時電磁鐵通過正向電流產生推力，推動擺桿擺動，反之產生吸引力，使擺桿停止。通過改變PWM的占空比改變流過電磁鐵的電流，控制推力的大小。角度傳感器實時檢測擺桿角度的變化，將信號傳遞給單片機由單片機來調節PWM的占空比，從而改變擺桿的擺動，實現循環擺動。如圖4所示。

4 軟件實現流程

系統是由幾個模塊相互組合而成，在軟件編程的時候，模塊分別編寫，系統組裝完成后，再進行模塊化編程，提高程序調試的效率。軟件實現的功能主要有：讀角度傳感器角度；給電磁裝置脈沖；PWM脈寬調制；聲音提示；輸入周期、轉角，實際周期、轉角顯示；匯總等。主程序流程、角度傳感器程序流程、 PWM信號控制程序流程如圖5所示。

圖4 電磁鐵驅動模塊

圖5 程序流程

5 系統測試

采用KJ9205萬用表、YB4320A示波器、SS33233雙路可跟蹤直流穩壓電源、0～300 mm游標卡尺，秒表等儀器（工具）進行測試。角度測試結果見表1，周期測試結果如表2所示。

表1 角度測試

[預設擺角

/（°）＼&實際擺角

/（°）＼&誤差

/（°）＼&啟動響應

時間 /s＼&停止響應

時間 /s＼&10＼&11＼&1＼&5＼&9＼&15＼&16＼&1＼&5＼&6＼&20＼&19＼&1＼&4＼&10＼&25＼&24＼&1＼&8＼&6＼&30＼&29＼&1＼&8＼&7＼&35＼&34＼&1＼&7＼&7＼&40＼&41＼&1＼&9＼&8＼&45＼&44＼&1＼&9＼&9＼&]

表2 周期測試

[預設周期 /s＼&實際周期 /s＼&誤差 /s＼&啟動響應時間 /s＼&停止響應時間 /s＼&0.6＼&0.6＼&0＼&5＼&9＼&]

由于存在機械摩擦阻力和電磁鐵在斷電時磁力不能馬上消退等原因，實際擺角和周期與預設的擺角和周期有一定的誤差。啟動響應時間和停止響應時間比較理想。

6 結 語

基于STC89C52的電磁控制運動裝置，外形尺寸長寬高均不大于300 mm，擺桿支撐軸中心點到擺桿底端的長度在100～150 mm范圍內。達到如下功能：按下啟動按鈕，由靜止點開始，控制擺桿擺動；由靜止點開始，控制擺桿在10°～45°范圍內擺角連續擺動，擺動擺角絕對誤差≤1°，響應時間≤10 s；由靜止點開始，按指定周期（0.5～2 s范圍內）控制擺桿連續擺動，擺動周期絕對誤差值為0，響應時間為5 s；在擺桿連續擺動的情況下，按下停止按鈕，控制擺桿平穩地停在靜止點上，停止時間為9 s；擺桿擺角幅度能在10°～45°范圍內預置，預置步進值為5°，擺角幅度絕對誤差值≤1°，響應時間≤9 s；能進行聲、光提示，但周期只能固定在0.6 s，預設周期功能還有待完善。

參考文獻

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