小球滾動控制系統

張凱

（鄭州鐵路職業技術學院，河南鄭州，451460）

1 系統總體設計

根據項目需求，經仔細分析計算，充分考慮各種因素，制定整體方案如下。方案采用STC12C5A60S2 為控制核心，通過步進電機和U 型導軌來控制小球運動，利用精密電位器來采集導軌的角度，采用128 組紅外對管來實時采集小球的位置。系統整體方框圖如圖1 所示。

2 系統硬件電路的設計

2.1 單片機最小系統

STC12C5A60S2 系列單片機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8-12倍。內部集成MAX810 專用復位電路，2 路PWM，8 路高速10 位A/D 轉換(250K/S)，針對電機控制，強干擾場合。其最小系統如圖2 所示。

2.2 小球位置檢測電路

圖1 系統整體框圖

圖2 單片機最小系統

圖3 小球位置檢測電路

第一版本使用的是HX711 稱重傳感器來做的，在實際測試中發現小球運動過程中，壓力變化數制太小，測量精度達不到。后來在U 型導軌上采用128 對紅外對管來采集小球的位置信息，紅外對管有靈敏度高，響應快等優點，經過測試完全滿足項目需求。其電路如圖3 所示。

2.3 電源電路

電源供電常用的有線性直流穩壓電源，開關電源，蓄電池等等。本系統需要供電的模塊有單片機，液晶，紅外對管，導電塑料電位器（5V)，步進電機（12V）等多輸出電壓形式。

為了更好的實現項目的要求，我們采用5V 線性電源為主控和傳感器模塊供電，采用12V開關電源為步進電機供電。線性電源紋波小，減少了對傳感器的干擾，開關電源功率大，保證步進電機的響應速度。5V 線性電源我采用78L05 芯片來產生，12V 開關電源我們采用LM2596-12V 來產生，其電路如圖4 所示。

圖4 電源電路

2.4 電機驅動電路

導軌的運動采用兩相步進電機控制。步進電機具有誤差不長期積累、精度高、控制方便等優點。通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。這里我們采用TA8435H 來驅動步進電機。TA8435H 是東芝公司生產的單片正弦細分二相步進電機驅動專用芯片，該芯片供電電壓范圍寬，功率大，外圍電路簡單等優點。

2.5 界面顯示電路

界面顯示我們采用液晶12864。該液晶可以顯示豐富的內容，既能夠顯示數字、漢字甚至顯示圖形，而且顯示界面穩定可切換界面，不需要外圍電路，且自帶字庫能顯示漢字，控制方便，耗能較低，顯示內容豐富。

2.6 角度測量電路

采用導電塑料電位器作為角度傳感器。硬件上采用一個1%精度的電阻與角度傳感器串聯。不同的角度對應的角度傳感器的電壓不同，根據線性關系，采用高精度ADC 來采集傳感器電壓的變化。通過采集不同角度對應的電壓建立一個電壓-角度對照表。通過該表格我們可以實時檢測導軌的角度，并根據相應的趨勢，及時調整導軌角度。

2.7 聲光報警電路

當小球運動超出預期的位置或者小球掉落需要進行聲光報警提示。聲光報警電路我們采用8550 三極管構成共射極放大電路來驅動。當小球失控掉落時會觸發軌道盡頭的微動開關，從而放大電路驅動報警電路工作。

3 系統軟件設計

根據題目要求，軟件部分主要有鍵盤子程序，電機控制子程序，AD 采集子程序，紅外對管掃描子程序。軟件部分通過鍵盤設置小球運動的參數后，通過步進電機控制U 型導軌角度，紅外對管檢測小球位置。這樣既有采集，也有反饋從而構成一個閉環來精確控制小球的運動軌跡。

圖5 程序流程圖

3.1 小球位置控制方法

采用多組紅外對管進行實時掃描檢測。即軌道上均勻排布128 對紅外對管，將128 對紅外對管分為16 組，每8 對一組進行控制，用單片機上的8 個IO 口控制多組紅外發射管進行動態掃描，8 個IO 口監測紅外接收管狀態。這就類似于數碼管的動態掃描顯示，只要掃描速率足夠快，就能實時檢測到哪些紅外對管被遮擋，從而確定小球的位置。紅外對管在導軌上每5 毫米一對，可以較為精確檢測小球所在位置監測小球所處的位置。能將小球的距離精確到1cm 范圍內。

3.2 角度檢測方法

采用精密導電塑料電位器作為角度傳感器，電阻的范圍是0-5k,線性度0.1%。該角度傳感器具有線性度好，相應速度塊等優點。將導軌與該電位器軸連接實現同步運動，導軌轉動帶動傳感器轉動，通過高精度ADC 采集角度傳感器上電壓的變化，從而得出阻值的變化，最終通過線性關系轉換得到角度數據。

3.3 導軌控制方法

根據題意要求，在基本要求中，采用開環控制。在發揮部分，采用閉環控制。為使系統能夠快速的響應并調整誤差量，減小系統的抖動，提高控制精度，閉環控制回路采用增量式PID 控制算法。

增量式PID 控制算法原理：

圖6

圖6 是直流電機的調速系統，給定的轉速No(t)與實際的轉速N(t)相比較，得出的偏差值 E(t)=No(t)-N(t)，經過PID 控制器計算后輸出控制電壓U(t)，驅動電機改變其轉速。

以T 作為采樣的周期，k 為采樣信號，以離散采集點kT(k=0,1,2,3,.......) 對應著連續的時間t 上的每一時刻，采用求和的形式代替積分；用增量的形式代替微分，具體的公式如下：

兩式相減并整理得出：

程序每隔一段時間采樣一次，更新一次Uk 值，電機的轉速將恒定在給定的轉速上，當實際角度不等于設定角度時，通過自動控制PWM 進行調節電機轉速。

4 結語

在系統設計過程中，硬件力求最簡，軟件盡量做到穩定。由于前期主控選擇不合理，掃描數碼管頻率不夠，導致小球位置掃描有一定的延遲，存在一定的誤差。最終通過理論建模加上實際測試，最終完成題目的基本要求和發揮部分的80%要求，并取得全國二等獎的好成績。