吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張青青

乒乓球升降高度自動控制裝置

吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張青青

本系統(tǒng)由高度檢測模塊、L298N直流電機驅(qū)動模塊、控制模塊、語音模塊、顯示模塊、無線傳輸模塊組成，采用超聲波傳感器檢測乒乓球上升高度，利用STC12C5A60S2單片機對傳感器輸出的信號進行實時采集，通過對當(dāng)前高度的分析判斷，控制直流電機的轉(zhuǎn)速，并由藍(lán)牙進行控制數(shù)據(jù)的傳輸，從而完成對乒乓球升降高度的自動控制。

超聲波；STC12C5A60S2；藍(lán)牙；實時

一、系統(tǒng)方案選擇

本系統(tǒng)主要由高度檢測模塊、無線傳輸模塊、風(fēng)扇驅(qū)動模塊、控制模塊、輸入輸出模塊、報警提示模塊組成。

1.高度檢測模塊 的方案選擇

方案一：采用超聲波傳感器測量到乒乓球的距離，找出距離與高度的對應(yīng)關(guān)系；超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)定時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2。把超聲波探頭固定在上方，用直尺測量不同的距離，然后采用超聲波進行測量對比。經(jīng)過試驗，采用超聲波測距的誤差為5mm。采用超聲波測量，傳感器不與乒乓球接觸，不增加乒乓球的負(fù)重，減少對乒乓球高度的影響。操作簡單，容易控制高度。

方案二：采用激光測距儀在工作時向目標(biāo)射出一束很細(xì)的激光，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，計時器測定激光束從發(fā)射到接收的時間，計算出從激光探頭到目標(biāo)的距離。缺點：測量距離與實際距離誤差太大，線性不好且數(shù)據(jù)不穩(wěn)定?？紤]測量精度及穩(wěn)定性本系統(tǒng)采用方案一。

2.風(fēng)扇驅(qū)動模塊的方案選擇

方案一：步進電機驅(qū)動風(fēng)扇。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個步距角。可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

方案二：直流電機驅(qū)動風(fēng)扇。通過改變輸出方波的占空比使負(fù)載上的平均電流功率從0-100%變化，從而改變電機速度。利用PWM調(diào)速，它的優(yōu)點是電源的能量功率能得到充分利用、電路的效率高、調(diào)速方便。L298N功率較大，運行穩(wěn)定，易于控制?？紤]控制方法及驅(qū)動能力，采用方案二。

3.控制模塊的方案選擇

采用STC12C5A60S2單片機作為控制芯片。STC12C5A60S2單片機是單周期單片機，速度是普通51單片機的12倍，并且STC12C5A60S2單片機內(nèi)核仍是51單片機內(nèi)核，兼容51單片機所有程序指令，功耗低并且價格低廉，有很高的性價比。

4.無線傳輸模塊

方案一：采用藍(lán)牙傳輸。藍(lán)牙為短距離無線連接技術(shù)，使用無線電頻段。為避免此頻段電子裝置眾多而造成的相互干擾，因而以一千六百次高難度跳頻以及加密保密技術(shù)，傳輸速率在432Kbps到721Kbps。使用時可靠，不易亂碼，實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，傳輸效率快。

方案二：采用2262-2272芯片。PT2262/2272最多可有12位(A0-A11)三態(tài)地址端管腳(懸空，接高電平，接低電平)，任意組合可提供531441地址碼，PT2262最多可有6位(D0-D5)數(shù)據(jù)端管腳，設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從17腳串行輸出，可用于無線遙控發(fā)射電路?？紤]使用簡單，易于編程及數(shù)據(jù)傳輸，采用方案一。

5.顯示模塊、輸入模塊方案選擇

采用LCD12864液晶屏實時顯示高度，鍵盤輸入進行高度的設(shè)定。

6.報警提示模塊

采用ISD4003語音芯片。ISD4003語音芯片可錄、放音十萬次，存儲內(nèi)容可以斷電保留一百年，按鍵模式和MCU串行控制模式（SPI協(xié)議）。MIC和ANAin兩種錄音模式，PWM和AUD/AUX三種放音輸出方式，可處理多達(dá)255段以上信息。

二、系統(tǒng)理論分析與計算

1.風(fēng)扇調(diào)速原理

脈沖寬度調(diào)制是指用改變電機電樞電壓接通與斷開的時間的占空比來控制電機轉(zhuǎn)速的方法，稱為脈沖寬度調(diào)制(PWM)。對于直流電機調(diào)速系統(tǒng)，使用單片機進行調(diào)速是極為方便的。其方法是通過改變電機電樞電壓導(dǎo)通時間與通電時間的比值（即占空比）來控制電機速度。PWM調(diào)速原理如圖1所示。只要按一定規(guī)律改變通、斷電時間，即可讓電機轉(zhuǎn)速得到控制。設(shè)電機永遠(yuǎn)接通電源時，其轉(zhuǎn)速最大為Vmax，設(shè)占空比為D=t1/T，則電機的平均速度為：

式中，Vd——電機的平均速度

Vmax——電機全通時的速度（最大）

2.高度測量原理

高度位移傳感器輸出為0-12V電壓，利用STC12C5A60S2單片機內(nèi)部的A/D，能夠采集高度位移傳感器的電壓對應(yīng)的源碼，分別在乒乓球5cm和30cm的位置讀出A/D源碼M0和M30，對這期間的數(shù)據(jù)進行線性分析，總結(jié)高度與傳感器輸出的公式：

式中，A——對應(yīng)角度

M0——0cm時A/D采集數(shù)值

圖1 占空比—高度對應(yīng)關(guān)系

圖2 周期—高度對應(yīng)關(guān)系

圖3 A、B模塊框圖

表1 功能測試數(shù)據(jù)

表2 連續(xù)運動測試數(shù)據(jù)

表3 實時顯示高度數(shù)據(jù)

圖4 總體電路圖

圖5 A、B單元程序流程圖

M30——30cm時A/D采集數(shù)值

Mx——X度時A/D采集數(shù)值

3.控制算法

系統(tǒng)要求在設(shè)定高度時，風(fēng)力能夠快速達(dá)到要求，為此采用實驗法。首先從大到小改變占空比，記錄風(fēng)力能使乒乓球快速達(dá)到的高度，如圖1。

在實驗的過程中，由于每次調(diào)整占空比要改變定時器的初始值，因此對算法進行了改進，把調(diào)整占空比，改為調(diào)整周期，設(shè)高電平t1為固定值100(以10μs為一個單位)，每次修改低電平時間，這樣得出與高度的對應(yīng)關(guān)系。采用修改周期的方法從控制精度上能夠達(dá)到0.5cm并且程序修改數(shù)值簡單，在周期與角度的線性關(guān)系上也便于處理，因此最終采用t1從10到100，t2為100作為控制數(shù)據(jù)，如圖2。

三、電路與程序設(shè)計

1.硬件設(shè)計

（1）系統(tǒng)硬件的基本組成

乒乓球控制系統(tǒng)硬件由A、B兩個控制單元組成，A單元為高度檢測模塊、無線發(fā)射模塊和輸入、顯示模塊；B單元為速度控制模塊、語音提示模塊、無線接收模塊組成。系統(tǒng)由直流電機驅(qū)動風(fēng)扇，超聲波模塊實時檢測乒乓球的高度并由液晶屏顯示，當(dāng)高度達(dá)到設(shè)定值蜂鳴器報警，如圖3。

（2）具體電路組成

2.軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括高度檢測、電機調(diào)速控制。首先由單片機采集超聲波傳感器數(shù)值，由無線發(fā)射將數(shù)據(jù)傳輸給單元B，由單元B進行電機的速度控制然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)速控制模塊，進行分析、判斷，最后確定直流電機的轉(zhuǎn)速，并實時顯示乒乓球高度及穩(wěn)定時間。

四、測試結(jié)果及分析

1.測試結(jié)果

(1)乒乓球高度在5cm-30cm變化，記錄直尺與液晶顯示的高度值及上升時間及穩(wěn)定時間，如下表：

(2)控制乒乓球在管道中做的連續(xù)運動，記錄時間和高度，如下表所示：

(3)實時顯示穩(wěn)定時的誤差。如下表：

2.結(jié)果及分析

根據(jù)實驗分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)通過測試，本系統(tǒng)能控制乒乓球在管道內(nèi)任意高度上穩(wěn)住，從開始啟動到穩(wěn)定的時間為2s，乒乓球穩(wěn)定時上下起伏波動在±0.5cm以內(nèi)，穩(wěn)定時間10s至11s，能穩(wěn)定的回到起點。

(2)本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多點之間的連續(xù)運動，完成整套動作用時40s，各處誤差均小于1cm。

(3)本系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示穩(wěn)定時的實際值和誤差值，并伴隨聲光提示。

(4)本系統(tǒng)能夠任意預(yù)先設(shè)定兩個位置參數(shù)，在10s之內(nèi)達(dá)到指定高度，并且連續(xù)在這兩個高度上做起伏運動。

本系統(tǒng)采用超聲波傳感器測量乒乓球高度，以STC12C5A60S2單片機作為控制芯片，通過LCD12864進行實時高度的顯示，鍵盤輸入設(shè)定高度，當(dāng)乒乓球達(dá)到設(shè)定高度時，有聲光提示。在控制高度精度方面達(dá)到了0.5cm，控制時間最慢為2s。

張青青（1980—），女，碩士研究生，吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：機電一體化。