金屬球滾動平衡控制系統(tǒng)設計

李海銘

摘 要：本文設計的金屬球滾動控制系統(tǒng)能使金屬球在U型槽內任意位置保持平衡，采用位置傳感器檢測金屬球的在導軌上的實時位置，采用角度傳感器檢測U型槽導軌的偏角，通過直流減速電機帶動偏心擺輪使金屬球在U型槽導軌上滾動，并在導軌上的任意位置實現平衡控制要求。

關鍵詞：滾動控制、位置傳感器、角度傳感器

本文通過位置傳感器檢測金屬球的實時位置，角度傳感器檢測U型槽導軌的實時角度，通過單片機對電機控制實現小球在U型槽導軌上實現平衡控制。本系統(tǒng)設計，旨在實現一個運動控制模型，對平衡運動控制方法進行研究。

1 系統(tǒng)結構組成

系統(tǒng)結構圖如圖1所示，金屬球在U型槽導軌內，靠控制偏心擺輪運動使U型槽導軌形成傾斜角度，根據傾斜角度的不同，金屬球在U型槽導軌做不同的自由運動，并在不同位置實現平衡控制。用來檢測金屬球位置的位置傳感器固定在U型槽導軌上，直流電機帶動偏心擺輪做往復運動，導軌的旋轉中心固定在角度傳感器的轉軸上。

2 系統(tǒng)硬件電路組成

系統(tǒng)硬件電路組成包括電源、CPU、位置傳感器、角度傳感器、鍵盤、LCD、電機驅動和直流減速電機。

其中單片機采用宏晶科技的STC12C5A60S2系列單片機，利用其自帶2路PWM和8路10位A/D的特點，控制電機驅動和采集傳感器信號。代碼兼容傳統(tǒng)8051，編程方便。

位置傳感器采用滑線電阻器原理，利用鎳鉻絲高電阻率低溫漂的特點，以及金屬球具有導電性，將鎳鉻電阻絲和金屬小球構成類似的滑線電阻器，金屬球在不同的位置會把相應位置的鎳鉻絲短路，使接入電路中的鎳鉻絲長度發(fā)生變化，即電阻發(fā)生變化，把電阻的變化轉變成電壓的變化進行測量便可以得到金屬球的運動位置，利用單片機的自帶A/D進行電壓測量。

電機驅動采用的是L298N雙路直流電機驅動模塊，L298N為SGS-THOMSON Microelectronics所出產的雙全橋步進電機專用驅動芯片（Dual Full-Bridge Driver ），內部包含4信道邏輯驅動電路，是一種二相和四相步進電機的專用驅動器，可同時驅動2個二相或1個四相步進電機，內含二個H-Bridge？的高電壓、大電流雙全橋式驅動器，接收標準？TTL邏輯準位信號，可驅動46V、2A以下的步進電機，且可以直接透過電源來調節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機的IO端口來提供模擬時序信號，能同時利用2路PWM驅動兩個直流電機。為了正反轉控制的平滑性，采用直流減速電機，同時可以保證足夠的扭矩輸出。

LCD采用12864液晶屏，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）?？膳cCPU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。利用12864顯示金屬球的實時位置和采集回來的傳感器數據。

3 系統(tǒng)控制分析

金屬球和金屬絲接觸處短路，由電阻計算公式可知，在選定鎳鉻絲作為檢測滑動電阻后，當鎳鉻絲的直徑確定為0.2mm時，其橫截面積S為固定常數，電阻率也為一個確定的常數，所以鎳鉻絲的阻值隨單位長度L的變化而變化。將鎳鉻絲鋪設到U型槽導軌內部，因小球在導軌內的兩根鎳鉻絲上滾動（小球的阻值固定）所以當小球運動位置不同（即鎳鉻絲的長短變化不同），其對應的電阻值也不同，由此便可以測得小球在導軌上的位置。

電阻量不便于測量，因此將電阻轉變成電壓通過單片機自帶A/D進行采集，同時角度傳感器輸出也為電壓值，需要用A/D采集，結合兩個傳感器數據控制單片機PWM輸出，從而控制電機驅動L298N帶動直流減速電機，采用逐次逼近的方法使小球逐漸靠近控制位置，根據金屬球實時位置和設定值之間的差值確定輸出PWM數值，根據角度傳感器檢測的偏角決定電機的旋轉方向。將角度傳感器和位置傳感器的數值實時顯示到LCD上，便于實時觀察和系統(tǒng)調試。

4 系統(tǒng)程序設計及調試

開始階段包含初始化程序和延時子程序，然后通過按鍵設定要控制平衡的位置，再通過傳感器檢測位置，根據設定位置和檢測位置的差值控制電機，角度傳感器用來控制調節(jié)的方向，將實時位置和角度顯示到12864液晶上，實時檢測位置和角度通過電機控制知道達到設定位置，達到設定位置之后控制電機停轉保持。

為準確的控制金屬球，使之在U型槽導軌上保持平衡，要準確的采集導軌上相應位置對應的傳感器數據，由于傳感器將電阻變化等效成電壓變化作為輸出，因此采集的電壓值即位置值。

間隔1cm選取40個測試點，對電壓進行采集，共采集3組數據，在測試過程中應注意保證金屬球和鎳鉻絲緊密接觸，以免在測試過程中丟失數據。通過數據可以觀察出測量值比較穩(wěn)定，在以1cm為間距的測試過程中能夠有效的得到位置數據。根據金屬球的實時位置和設置值的差值進行比較，從而決定PWM的輸出數據。

5 總結

本設計可實現金屬球在U型槽上的不同位置的平衡控制，控制過程需要掌握角度傳感器和位置傳感器的工作原理，以及直流電機的控制方法。作為一個簡單的運動控制模型，可以用來學習控制算法的應用、傳感器應用、LCD顯示和電機控制等知識。

參考文獻：

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