康　金（1.河北省承德石油高等?？茖W(xué)校;　2.河北省工業(yè)數(shù)據(jù)通信與儀器儀表研發(fā)中心,河北　承德　067000）

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小球滾動控制系統(tǒng)的研發(fā)

康金1,2
（1.河北省承德石油高等專科學(xué)校;2.河北省工業(yè)數(shù)據(jù)通信與儀器儀表研發(fā)中心,河北承德067000）

摘 要：本系統(tǒng)主要由控制模塊、驅(qū)動模塊、輸入模塊、檢測模塊和顯示模塊五部分組成，利用步進電機調(diào)節(jié)導(dǎo)軌的角度并利用陀螺儀檢測出角度大小以及利用光電對管傳感器檢測小球在導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)的位移，實現(xiàn)了對小球位置的滾動控制。

關(guān)鍵詞：控制；驅(qū)動；輸入；模塊

1　系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)主要由控制模塊、驅(qū)動模塊、輸入模塊、檢測模塊和顯示模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。

1.1控制模塊的選擇

采用STC12C5A60S2系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘、單機器周期的單片機，是高速、低功耗、超強干擾的新一代8051單片機。指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，而且速度快8～12倍，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM,8路高速10位ACD轉(zhuǎn)換，對電機控制效果好，能在強干擾場合工作。

1.2驅(qū)動模塊的選擇

步進電機由電脈沖控制，控制量為轉(zhuǎn)角（即角位移），驅(qū)動信號是方波脈沖。無需編碼器等反饋器件即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角（即位置）的控制（即開環(huán)控制），這是步進電機最大的特點。所以轉(zhuǎn)動平滑性不如直流電機。

1.3輸入模塊的論證與選擇

采用觸摸屏，觸摸屏可以根據(jù)菜單樣式來設(shè)置按鍵位置，按鍵設(shè)置靈活，便于操作，節(jié)約單片機I/O口。同時，觸摸屏具有輸出界面色彩可調(diào)，視覺效果良好等特點。

1.4檢測模塊的選擇

陀螺儀進行角度檢測，將機械轉(zhuǎn)動或角度變化量轉(zhuǎn)化為電信號，無觸點的測量轉(zhuǎn)動角度，輸出數(shù)字電壓信號。陀螺儀傳感器體積小、成本低 可靠性高。內(nèi)部無轉(zhuǎn)動部件，全固態(tài)裝置，抗大過載沖擊，工作壽命長、大量程適于高轉(zhuǎn)速大g值的場合，易于數(shù)字化、智能化?？蓴?shù)字輸出，溫度補償，零位校正等。

利用光電對管檢測小球信號從而確定小球在導(dǎo)軌內(nèi)的位置。光電對管傳感器的靈敏度非常高，能夠很精確的檢測小球的位置。

使用液晶顯示屏(LCD)顯示。液晶顯示屏具有輕薄短小、低耗電量、無輻射危險，平面直角顯示、影像穩(wěn)定不閃爍、可視面積大、畫面效果好、分辨率高、抗干擾能力強等特點。

2　系統(tǒng)理論分析與計算

如圖1所示，某一狀態(tài)下，小球的受力分析。

如圖1所示，小球受自身的重力和導(dǎo)軌對小球的支持力，兩個力的合力使小球沿負(fù)角度方向向下運動。同理，當(dāng)小球?qū)к壴陔姍C拉力作用下向上傾斜時，小球沿正角度方向向下運動。

2.1角度檢測及導(dǎo)軌控制方法

當(dāng)陀螺儀檢測到導(dǎo)軌負(fù)角度變化時，步進電機快速給導(dǎo)軌施加一個向上的拉力，使導(dǎo)軌向上運動并檢測導(dǎo)軌角度，直到導(dǎo)軌恢復(fù)到平衡位置。同理， 當(dāng)陀螺儀檢測到導(dǎo)軌正角度變化時，步進電機反轉(zhuǎn)，使導(dǎo)軌向下運動并檢測導(dǎo)軌角度直到導(dǎo)軌恢復(fù)到平衡位置。調(diào)整過程可通過小球的運動觀測導(dǎo)軌位置。

2.2位置檢測

利用光電對管傳感器檢測小球信號對光電對管進行編碼，測定小球位置，當(dāng)小球通過當(dāng)前光電對管時，光電對管會給單片機一個負(fù)脈沖，可以確定小球當(dāng)前的位置，同時確定小球此時的運動方向。位置檢測遵循PID 算法，公式如下：

增量PID：Δu(k)=Kp(ek-ek-1)+Kiek+Kd(ek-ek-1+ek-2)

ek表示當(dāng)前誤差；Kp表示比例系數(shù)；Ki表示積分常數(shù)；Kd表示微分常數(shù)；

2.3測試方案與測試結(jié)果

用陀螺儀檢測導(dǎo)軌位置，并用量角器檢測導(dǎo)軌角度是否在要求范圍內(nèi)；位置測試：軌上安裝光電對管檢測小球位置，對其進行編碼，再通過單片機采集光電對管信號檢測小球的位置。測試條件：硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表。

3　總結(jié)

小球滾動控制系統(tǒng)的設(shè)計難度主方面要是利用合適的傳感器靈敏的檢測到小球信號，關(guān)鍵在于傳感器的選取。其次，軟件方面的編程，要達到角度和位置的檢測和控制，還要避免或解決一些對小球平衡造成的干擾。本設(shè)計器件選擇獨特，硬件結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計相對比較復(fù)雜，基本達到設(shè)計要求。

作者簡介：康金（1978-），男，河北平泉人，研究方向:電子電路的開發(fā)和應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.186