金屬球滾動平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李海銘

摘 要：本文設(shè)計(jì)的金屬球滾動控制系統(tǒng)能使金屬球在U型槽內(nèi)任意位置保持平衡，采用位置傳感器檢測金屬球的在導(dǎo)軌上的實(shí)時(shí)位置，采用角度傳感器檢測U型槽導(dǎo)軌的偏角，通過直流減速電機(jī)帶動偏心擺輪使金屬球在U型槽導(dǎo)軌上滾動，并在導(dǎo)軌上的任意位置實(shí)現(xiàn)平衡控制要求。

關(guān)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(shí)時(shí)位置，角度傳感器檢測U型槽導(dǎo)軌的實(shí)時(shí)角度，通過單片機(jī)對電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)小球在U型槽導(dǎo)軌上實(shí)現(xiàn)平衡控制。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)，旨在實(shí)現(xiàn)一個(gè)運(yùn)動控制模型，對平衡運(yùn)動控制方法進(jìn)行研究。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，金屬球在U型槽導(dǎo)軌內(nèi)，靠控制偏心擺輪運(yùn)動使U型槽導(dǎo)軌形成傾斜角度，根據(jù)傾斜角度的不同，金屬球在U型槽導(dǎo)軌做不同的自由運(yùn)動，并在不同位置實(shí)現(xiàn)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(dǎo)軌上，直流電機(jī)帶動偏心擺輪做往復(fù)運(yùn)動，導(dǎo)軌的旋轉(zhuǎn)中心固定在角度傳感器的轉(zhuǎn)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(jī)驅(qū)動和直流減速電機(jī)。

其中單片機(jī)采用宏晶科技的STC12C5A60S2系列單片機(jī)，利用其自帶2路PWM和8路10位A/D的特點(diǎn)，控制電機(jī)驅(qū)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(diǎn)，以及金屬球具有導(dǎo)電性，將鎳鉻電阻絲和金屬小球構(gòu)成類似的滑線電阻器，金屬球在不同的位置會把相應(yīng)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(zhuǎn)變成電壓的變化進(jìn)行測量便可以得到金屬球的運(yùn)動位置，利用單片機(jī)的自帶A/D進(jìn)行電壓測量。

電機(jī)驅(qū)動采用的是L298N雙路直流電機(jī)驅(qū)動模塊，L298N為SGS-THOMSON Microelectronics所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動芯片（Dual Full-Bridge Driver ），內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動器，可同時(shí)驅(qū)動2個(gè)二相或1個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個(gè)H-Bridge？的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)？TTL邏輯準(zhǔn)位信號，可驅(qū)動46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機(jī)的IO端口來提供模擬時(shí)序信號，能同時(shí)利用2路PWM驅(qū)動兩個(gè)直流電機(jī)。為了正反轉(zhuǎn)控制的平滑性，采用直流減速電機(jī)，同時(shí)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(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個(gè)中文漢字（16X16點(diǎn)陣）、128個(gè)字符（8X16點(diǎn)陣）及64X256點(diǎn)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(jī)：8-位并行及串行兩種連接方式。利用12864顯示金屬球的實(shí)時(shí)位置和采集回來的傳感器數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)控制分析

金屬球和金屬絲接觸處短路，由電阻計(jì)算公式可知，在選定鎳鉻絲作為檢測滑動電阻后，當(dāng)鎳鉻絲的直徑確定為0.2mm時(shí)，其橫截面積S為固定常數(shù)，電阻率也為一個(gè)確定的常數(shù)，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(shè)到U型槽導(dǎo)軌內(nèi)部，因小球在導(dǎo)軌內(nèi)的兩根鎳鉻絲上滾動（小球的阻值固定）所以當(dāng)小球運(yùn)動位置不同（即鎳鉻絲的長短變化不同），其對應(yīng)的電阻值也不同，由此便可以測得小球在導(dǎo)軌上的位置。

電阻量不便于測量，因此將電阻轉(zhuǎn)變成電壓通過單片機(jī)自帶A/D進(jìn)行采集，同時(shí)角度傳感器輸出也為電壓值，需要用A/D采集，結(jié)合兩個(gè)傳感器數(shù)據(jù)控制單片機(jī)PWM輸出，從而控制電機(jī)驅(qū)動L298N帶動直流減速電機(jī)，采用逐次逼近的方法使小球逐漸靠近控制位置，根據(jù)金屬球?qū)崟r(shí)位置和設(shè)定值之間的差值確定輸出PWM數(shù)值，根據(jù)角度傳感器檢測的偏角決定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。將角度傳感器和位置傳感器的數(shù)值實(shí)時(shí)顯示到LCD上，便于實(shí)時(shí)觀察和系統(tǒng)調(diào)試。

4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)及調(diào)試

開始階段包含初始化程序和延時(shí)子程序，然后通過按鍵設(shè)定要控制平衡的位置，再通過傳感器檢測位置，根據(jù)設(shè)定位置和檢測位置的差值控制電機(jī)，角度傳感器用來控制調(diào)節(jié)的方向，將實(shí)時(shí)位置和角度顯示到12864液晶上，實(shí)時(shí)檢測位置和角度通過電機(jī)控制知道達(dá)到設(shè)定位置，達(dá)到設(shè)定位置之后控制電機(jī)停轉(zhuǎn)保持。

為準(zhǔn)確的控制金屬球，使之在U型槽導(dǎo)軌上保持平衡，要準(zhǔn)確的采集導(dǎo)軌上相應(yīng)位置對應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)，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(gè)測試點(diǎn)，對電壓進(jìn)行采集，共采集3組數(shù)據(jù)，在測試過程中應(yīng)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(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。根據(jù)金屬球的實(shí)時(shí)位置和設(shè)置值的差值進(jìn)行比較，從而決定PWM的輸出數(shù)據(jù)。

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)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(jī)的控制方法。作為一個(gè)簡單的運(yùn)動控制模型，可以用來學(xué)習(xí)控制算法的應(yīng)用、傳感器應(yīng)用、LCD顯示和電機(jī)控制等知識。

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