电磁控制运动装置.docx
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电磁控制运动装置
电磁控制运动装置
摘要
本系统以单片机AT89S52为核心,调节直流电磁铁供电电压的大小,改变电磁铁的磁场力的大小,利用电磁控制实现摆杆按指定的摆角和周期摆动。
采用SCA100T角度传感器来实现摆杆摆角信号的采集,用AT89S52根据摆角值和周期输出一定占空比的PWM脉冲波,用L298N作为驱动电路,以达到控制摆角和周期的目的。
本设计进行了硬件电路搭建和软件编程,给出了系统方案、硬件电路图和软件流程图,并通过软件编程,实现了题目要求的技术指标,并用液晶显示屏实时显示摆杆摆角、摆动周期、设定角度和设定周期。
关键词:
摆角周期电磁控制AT89S52
位或10位的数字量。
可直接与单片机连接。
硬件电路简单,但成本较高,软件程序调试较困难。
方案二:
采用SCA100T-D02。
SCA100T-D02测量范围为-90°~+90°,具有模拟和数字两路输出。
模拟量输出电压为0~5V,不需信号调理电路就可送入A/D,拟采用模拟量输出,后接AD7705。
此方案硬件电路简单,软件调试简单,测量数据稳定。
经过比较,拟选择方案二。
1.2 驱动及控制方案
方案一:
采用线性放大驱动方式。
采用L298N作为驱动芯片。
单片机输出数字量,经D/A后转换为连续变化的电压值,控制电磁铁电磁力的大小,来改变摆角的大小,此方式波动小,线性好,对邻近电路干扰小。
但存在效率低和散热等问题。
硬件需要D/A转换器,电路复杂,成本高。
方案二:
采用PWM调速。
采用L298N作为驱动芯片。
PWM调速是使加在直流电磁铁两端的电压为方波形式,通过改变方波占空比实现对直流电磁铁电压大小
的调节。
PWM由单片机输出。
L298N芯片内部开关为电子开关,速度很快,稳定性也极强。
此方案电路简单,使用比较方便。
基于上述理论分析和实际情况,拟定选择方案二。
1.3 系统总体方案
图1.2摆杆控制系统总体方案框图
根据上述分析,设计出系统总体方案,由SCA100T-D02采集转角信息后送入AD7705转换,输出的8位数字量送入AT89C52中,单片机经分析处理后输出一定占空比的PWM,经L298N功率驱动放大后控制直流电磁铁电压的大小。
同时可用按键设定摆杆转角并显示,摆杆控制系统总体方案框图如图1.2所示。
2.系统硬件电路设计
硬件电路设计图见附录1。
2.1 单片机AT89S52
本系统采用AT89S52作为核心部件。
AT89S52内部有8KB的存储单元和256个RAM存储单元,用于本系统的角度采集控制足够使用。
51单片机的外围控制电路如图2.1所示。
图2.1单片机最小系统
2.2L298N简介
L298N是SGS公司的产品,比较常见的是15脚Multiwatt封装的
L298N,内部同样包含4通道逻辑驱动电路。
可以方便的驱动两个直流电机,或一个两相步进电机。
L298N芯片可以驱动两个二相电机,也可以驱动一个四相电机,输出电压最高可达50V,可以直接通过电源来调节输出电压;可以直接用单片机的IO口提供信号;而且电路简单,使用比较方便。
L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS,VSS可接4.5~7V电压。
4脚VS接电源电压,VS电压范围VIH为+2.5~46V。
输出电流可达2A,可驱动电感性负载。
1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻,形成电流传感信号。
L298可驱动2个电动机,OUT1,OUT2和OUT3,OUT4之间可分别接电动机。
2.3角度测量
角度测量使用了VTI公司生产的硅基加速度传感器SCA100T-D02,其主要性能指标:
1)双轴向倾角测量:
SCA100T测量X-Y方向;2)测量范围1.7g;3)测量灵敏度1.2V/g;4)+5V单电源供电,两个比例电压输出(模拟),内置11位AD转换器;5)兼容SPI的数字输出;6)通过SPI接口,可以访问内部温度传感器。
SCA100T为12脚表贴封装,设计时要水平安装芯片,并注意芯片上面箭头所指方向为正方向。
2.3.1角度测量原理
角度测量采用倾角传感器SCA100T-D02的传感轴安装为与摆杆在同一平面内,采用双轴测量值合成来计算倾斜角,在小倾角测量时,具有高分辨率和高精度的特点。
该传感器的每个轴可以检测0~90°度之间的倾角,所对应的输出电压为0~5V。
由于加速度传感器在静止放置时受到重力作用,因此会有1g的重力加速度。
利用这个性质,通过测量重力加速度在加速度传感器的X轴和Y轴上的分量,可以计算出其在垂直平面上的倾斜角度。
如图2.2所示,有
,
,则
即
图2.2角度测量原理图
这样,根据以上原理一个2轴加速度传感器可以测量在X-Y平面上的倾斜角度。
这个公式就是本文中用来测量物体倾斜角度的基本原理。
需要说明的是,这里利用的是物体在静止时受到重力的性质,如果物体同时也有运动加速度的话,那么这个公式将不再准确。
所以必须为公式增加一个限制条件,即
(式2-1)
2.3.2角度测量算法
本设计角度测量算法采用反三角函数算法。
直接利用式2-1以上公式进行计算。
具体步骤为:
1)测量X、Y的加速度
,
。
(对于数字输出的加速度传感器,直接通过I2C或SPI总线读取;对于模拟输出的加速度传感器,需要通过ADC进行采样。
)
2)计算
,如果这个平方和接近1g的平方,那么说明这组采样值是有效的,可以用来算;否则将该采样值丢弃,重复第一步。
3)利用有效的采样值,通过开平方和反正切函数等数学计算,求出倾斜角度
。
4)重复第一步。
在第三步公式中:
offset是在0°输出的电压值(电压2.5V),Sensitivity是芯片灵敏度(SCA100T-D02是2V)Vout是芯片输出的模拟量。
2.3.3角度测量电路
选用角度传感器SCA100T-D02的模拟输出,输出范围0~5v,故可直接接8位AD7705进行模数转换,得出数字量送入单片机。
SCA100T-D02与AD的连接如图2.3所示:
图2.3SCA100T-D02与AD连接
2.4直流电磁铁控制模块
直流电磁铁控制采用高低电平控制,由单片机输出。
选用手制的直流电磁铁,。
驱动芯片选用L298N。
2.4.1直流电磁铁控制电路
直流电磁铁为手制,单片机的输出为TTL信号,电流小,所以要加驱动电路。
选用的驱动芯片为L298N。
直流电磁铁控制电路图如图2.4所示。
2.5按键显示
本系统设计采用了LCD显示,显示屏上可实时显示测量角度和设定角度。
按键共有4个,分别为启动键、停止键、角度设定键、周期设定键。
2.6声光提示
本系统设计在帆板转角为10°~45°范围内,当摆杆稳定运行20s发出声、光提示,并在5s内平稳停在静止点上示,以便进行测试。
声光提示电路图如图2.5所示。
图2.4直流电磁铁控制电路图
图2.5声光提示电路图
3.系统软件设计
3.1主程序流程图
本系统软件设计采用C51语言编程,以达到题目要求的控制精度和响应时间。
主要完成转角信号的采集、数字滤波、标度变换、显示并通过采集信号调节电磁铁的通断时间来控制摆杆角度。
其中,显示模块负责将角度传感器检测到的角度送到LCD进行显示;角度控制模块负责根据按键的输入信息调节电磁铁通断时间,控制摆杆偏转。
图3.1主程序流程图
由于本系统的主要任务是对角度实时监控,所以在程序中将对角度的测量放在主程序中,设为查询方式;对按键的处理设为中断方式。
系统软件主程序流程图如图3.1所示,按键中断处理子程序如图3.2所示。
处理子程序1、2、3、4、5分别对应为PWM占空比加1子程序,PWM占空比减1子程序,设定值加1子程序,设定值减1子程序和转角45°自动追踪子程序。
3.2角度测量子程序流程图
角度测量子程序流程图如图3.3所示:
3.3角度控制子程序流程图
单片机读入设定值X和测量值Y后进行比较,调节占空比改变直流电压调节角度,控制摆杆偏转。
4.系统测试
基于本次设计题目的要求,本系统采用SCA100T-D02采集摆杆的转角并通过LCD显示,还可通过键盘预设转角值,其分辨率可达到2°。
图3.2按键中断处理子程序
4.1测试仪器与方法
测试仪器:
量角器1把、秒表1块、直尺1把。
测试方法:
1、测试基本要求
(1)、
(2)项时,用量角器量出摆杆偏角并与LCD上显示的角度值进行比较,看角度传感器测得的角度是否准确。
2、测试基本要求(3)项和发挥部分
(1)、
(2)项时,用量角器量出摆杆实际转角并与LCD上显示的角度值和按键设定的角度值进行比较,并用秒表记录调节时间,评判其控制性能。
图3.3角度测量子程序流程图图3.4角度控制子程序流程图
4.2角度测量
(1)用手转动摆杆其测量结果如表1所示:
表1角度测量数据比较(单位:
度)
实际角度
0
14
15
16
30
31
40
43
45
显示角度
0
13
14
15
27
29
37
41
42
绝对误差
0
-1
-1
-1
-3
-2
-3
-2
-3
4.3测试结果分析
通过测试结果可以看出,当摆杆角度从0°~45°范围变化时,当角度小于20°时,控制容易,误差小,控制时间短。
当角度接近45°时,控制时间也明显增加,误差也较大。
当控制角度在30°~45°时,控制时间也明显增加,误差也较大。
5.结论
通过测试可知:
本系统能较好的完成摆杆控制系统的要求。
具体完成工作如下:
1、完成了基本要求的
(1)、
(2)、(3),11.5cm时测试范围最大达到45度。
完成了发挥部分的
(1)、
(2)。
2、采用LCD实时显示角度,并能实时显示设定值。
3、设有自动追踪设定值功能,当设定某一角度时,摆杆可以自动变化,以保证角度值的稳定。
4、系统在完成基本要求
(1)时,分辨力可达1°,绝对误差小于5°,完成基本要求(3)时,调节时间优于基本要求
参考文献
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北京航空航天大学出版社,2010.
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[6]黄志伟等.全国大学生电子设计竞赛训练教程(修订版)[M].北京:
电子工业出版社,2010.
附录1硬件电路图
附录2主要元器件清单
表1元件清单
元器件名称
型号
个数
LCD液晶
12864
1
单片机
AT89S52
1
角度传感器
SCA100T-D02
1
摆杆
11.5cm
1
驱动器
L298N
1
稳压电源
YB1731A
1
开关电源
5/12V
1
基准电源
TL431
1
A/D模数转换器
AD7705
1
电解电容
100uf
2
瓷片电容
0.33uf
1
瓷片电容
0.1uf
6
瓷片电容
47uf
1
传感器
SCA100T-D02
1
瓷片电容
20pf
1
石英晶体振荡器
12MHZ
1
石英晶体振荡器
6MHZ
1
与非门
74LS04
1
电阻
5.1K
4
电阻
560
4
电阻
4.7K
3
二极管
IN5819
4
蜂鸣器
1
散热片
1
附录3程序清单
#include
#include
#definedateportP0
sbitBF=P0^7;
sbitRS=P1^0;
sbitRW=P1^1;
sbitE=P1^2;
sbitPSB=P1^6;
sbitin1=P2^0;
sbitin2=P2^1;
sbitenA=P2^2;
sbitCS=P3^1;
sbitSCLK=P2^7;
sbitDOUT=P2^6;
sbitDIN=P2^5;
sbitstart=P3^7;
sbitT=P3^4;
sbitA=P3^5;
sbitAD7705_DRDY=P2^4;
unsignedcharcodedigit[]={"0123456789"};
unsignedcharcodest[]={"电磁控制运动装置"};
unsignedcharcodestring[]={"实际设定"};
unsignedcharcodestr[]={"角度:
"};
unsignedcharcodestr0[]={"周期:
"};
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unsignedcharMSB_Data,LSB_Data;
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intt;
voiddelayms(unsignedinta);
voiddelayus(unsignedinta);
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floatAD7705_Read_Reg();
voidint_system();
voidad7705_init();
voiddate_out();
voidsetjiao(void);
voidsetzhou(void);
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voiddelayms(unsignedinta)
{unsignedinti,j;
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