自由擺平板控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計
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2．2 系統(tǒng)的工作流程
系統(tǒng)硬件設(shè)計平板轉(zhuǎn)動后，通過傳感器形成的加速度值經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換，作為單片機(jī)的輸入數(shù)據(jù)，原理圖如圖3所示。單片機(jī)STC12C5A16 S2利用其I／O口，輸出信號來驅(qū)動DDS模塊，產(chǎn)生頻率精確、寬度可調(diào)的脈沖信號。該脈沖信號可使高細(xì)分兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片THB6128驅(qū)動42BYGH4417完成步進(jìn)運(yùn)行，原理圖如圖4所示。從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、啟停等多種工作狀態(tài)的快速準(zhǔn)確控制，最終使平板達(dá)到自由擺系統(tǒng)中的規(guī)定位置。我們利用按鍵來選擇不同的工作模式，利用LCD顯示角度傳感器的數(shù)值，各個功能完成時利用LED指示結(jié)束。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/159311.htm
2．2 平板隨著擺桿的擺動而旋轉(zhuǎn)
單片機(jī)STC12C5A16S2采用內(nèi)部定時器方式2工作，獲得不同周期的時鐘，T=(2s-N)／SYCLK。
自由擺周期擺動時，平板需在單個周期內(nèi)完成360°旋轉(zhuǎn)。由自由擺擺動周期
可知，擺長L=1m，當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭=9．76m／s，則擺動周期T=2．011s。
兩相四線混合式步進(jìn)電機(jī)42BYGH4417利用芯片THB6128對其步距角進(jìn)行細(xì)分。步距角為1．8°，細(xì)分?jǐn)?shù)為A，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動角度a°時，PWM脈沖個數(shù)N=a*A／1．8。步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)為N時，脈沖頻率f與轉(zhuǎn)動時間T間的關(guān)系為N=f*T。
綜上所述，若細(xì)分?jǐn)?shù)A=128，則DDS模塊需要產(chǎn)生頻率f=12．73kHz的脈沖信號，通過單片機(jī)內(nèi)部定時器編程即可實(shí)現(xiàn)。考慮到外界壓力、空氣阻力等狀況，可多次試驗(yàn)調(diào)試，適當(dāng)增加頻率f即可實(shí)現(xiàn)單擺一個周期擺動時，平板旋轉(zhuǎn)一周。
2．4 硬幣的穩(wěn)定控制
我們在平板上疊放8個一元的硬幣，當(dāng)單擺從角度θ開始擺動時，控制平板由水平快速同步到圖5所示位置，則硬幣整體受到一個豎直向下的重力和始終沿桿方向變化的支持力，將這些力沿垂直和平行于速度方向進(jìn)行分解。其中，垂直于速度方向上的力使硬幣的速度方向發(fā)生改變，充當(dāng)硬幣繞懸點(diǎn)做變速圓周運(yùn)動的向心力。平行于速度方向上的力使硬幣的速度大小發(fā)生改變，充當(dāng)擺球的回復(fù)力。在此種情況下即可保證硬幣隨擺桿擺動而不滑落。為了達(dá)到放手后平板快速同步，我們將開啟開關(guān)安裝在擺桿上，放手即開啟。
2．5 激光筆的定位
開啟系統(tǒng)，讓平板上的激光筆初始化到指定中心線位置。當(dāng)擺桿被推到角度θ時，角度傳感器將偏離角度讀入到單片機(jī)，要完成快速定位，激光筆需旋轉(zhuǎn)角度γ，如圖6所示。
經(jīng)計算可知，當(dāng)擺桿處于近離中心線位置(左圖)時，
；當(dāng)擺桿處于遠(yuǎn)離中心線位置(右圖)時，
。
設(shè)定t秒完成定位，則利用平板隨擺桿的擺動而旋轉(zhuǎn)中所示方法，可得PWM脈沖個數(shù)，從而得到DDS模塊需要產(chǎn)生的脈沖頻率，通過單片機(jī)內(nèi)部定時器方式2工作，完成DDS的輸出。
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