自由摆平板控制系统的分析与设计2 控制系统, 步进电机, 单片机, 加速度, 传感器

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2．2 系统的工作流程
    系统硬件设计平板转动后，通过传感器形成的加速度值经过A／D转换，作为单片机的输入数据，原理图如图3所示。单片机STC12C5A16 S2利用其I／O口，输出信号来驱动DDS模块，产生频率精确、宽度可调的脉冲信号。该脉冲信号可使高细分两相混合式步进电机驱动芯片THB6128驱动42BYGH4417完成步进运行，原理图如图4所示。从而实现对电机转速、转向、启停等多种工作状态的快速准确控制，最终使平板达到自由摆系统中的规定位置。我们利用按键来选择不同的工作模式，利用LCD显示角度传感器的数值，各个功能完成时利用LED指示结束。

2．2 平板随着摆杆的摆动而旋转
    单片机STC12C5A16S2采用内部定时器方式2工作，获得不同周期的时钟，T=(2s-N)／SYCLK。
    自由摆周期摆动时，平板需在单个周期内完成360°旋转。由自由摆摆动周期可知，摆长L=1m，当地重力加速度g=9．76m／s，则摆动周期T=2．011s。
    两相四线混合式步进电机42BYGH4417利用芯片THB6128对其步距角进行细分。步距角为1．8°，细分数为A，则步进电机转动角度a°时，PWM脉冲个数N=a*A／1．8。步进电机脉冲数为N时，脉冲频率f与转动时间T间的关系为N=f*T。
    综上所述，若细分数A=128，则DDS模块需要产生频率f=12．73kHz的脉冲信号，通过单片机内部定时器编程即可实现。考虑到外界压力、空气阻力等状况，可多次试验调试，适当增加频率f即可实现单摆一个周期摆动时，平板旋转一周。
2．4 硬币的稳定控制
    我们在平板上叠放8个一元的硬币，当单摆从角度θ开始摆动时，控制平板由水平快速同步到图5所示位置，则硬币整体受到一个竖直向下的重力和始终沿杆方向变化的支持力，将这些力沿垂直和平行于速度方向进行分解。其中，垂直于速度方向上的力使硬币的速度方向发生改变，充当硬币绕悬点做变速圆周运动的向心力。平行于速度方向上的力使硬币的速度大小发生改变，充当摆球的回复力。在此种情况下即可保证硬币随摆杆摆动而不滑落。为了达到放手后平板快速同步，我们将开启开关安装在摆杆上，放手即开启。

2．5 激光笔的定位
    开启系统，让平板上的激光笔初始化到指定中心线位置。当摆杆被推到角度θ时，角度传感器将偏离角度读入到单片机，要完成快速定位，激光笔需旋转角度γ，如图6所示。

    经计算可知，当摆杆处于近离中心线位置(左图)时，；当摆杆处于远离中心线位置(右图)时，。
    设定t秒完成定位，则利用平板随摆杆的摆动而旋转中所示方法，可得PWM脉冲个数，从而得到DDS模块需要产生的脉冲频率，通过单片机内部定时器方式2工作，完成DDS的输出。