06省赛摆锤运动控制系统论文Word下载.docx
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则此时摆锤与从右到左的磁铁间的距离不同，摆锤会与其距离最近的磁铁吸合。
但这种方案要求单片机比较精确地控制磁铁的运动，而且控制磁铁的上下运动是机械运动。
当要求摆锤的摆动频率升高时，控制磁铁间的引力很大，阻碍了控制磁铁的上升和下降运动，从而抑制摆锤的摆动频率的升高。
图
（1）图
（2）
方案二：
用小铁球作为摆锤，采用电磁感应器组控制。
如图
（2）所示。
在A、B、C、D四处各放上一个电磁感应器。
通过单片机控制这些电磁感应器的通断。
由于当电磁感应器开启后，其中的磁感线圈会和小球产生磁力作用，通过改变不同电磁感应器的开启和关闭的顺序即可改变小球的运动方向，从而达到控制摆锤小球运动的目的。
但是这种方法的缺点也很明显。
这种方法对小球的作用力不均匀，亦即小球的摆速不好确定，还要考虑电磁感应器产生的感生电动势对小球的影响，会使小球的运动情况变得十分复杂，不利于分析和处理，也很难达到题目的要求。
而且电磁感应器在市场上较难买到，从经济实际上考虑，也不是一种好方法。
方案三：
用小的吸附有小磁铁的小物体作为摆锤，利用双相步机电动机控制一“L”型支架，支架上固定有一强力磁铁。
如图（3）所示。
由于磁铁与摆锤之间的引力作用，摆锤会随着支架的运动而运动。
所以只要对支架进行控制从而带动摆锤的运动即可。
由于步进电机可将脉冲转变为角位移和线位移，我们通过步进电机的齿轮与另一个大的齿轮相配合，再对支架进行控制。
由于双相步进电机的步距为7.5度，通过以上处理后，我们可以比较为精确地对支架的运动状态进行控制，而且也减小了摆锤的摆幅误差。
而且摆锤的摆动频率的控制可以在软件中比较简单、灵活地进行控制。
该方案很好地达到了题目的要求。
通过比较，对本题而言，方案三有很明显的优越性，避免了摆幅误差，而且也避免了如方案一和方案二所出现的一些比较难控制和解决的问题，很好地吻合了题目的大部分要求，所以我们采用了方案三。
图（3）
二、设计与论证
在系统设计过程中，我们的总原理图如图（4）所示。
图（4）硬件总原理图
（1）电机的选择
与调速性能好、调速范围宽广、调速特性平滑过载能力较强且热动和制动转矩较大的直流电机相比，由于其最大弱点就是有电流的换向问题，不能很好地达到我们的目的。
而步进电机是用电脉冲信号进行控制，每加一次脉冲信号后仅转动一定角度，它可以精确地控制转动的角度。
在非超载的情况下，电机的转速，停止的位置只取决于脉冲信号和频率和脉冲数，而不受负载变化和外部环境的变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机转过一个步距角。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差的特点，使得在速度、位置与控制操作变得很简单，同时步进电机具有快速启停，精确步进以及能直接接收数字量的特点，综合以上所有优点，我们采用步进电机。
（2）电机驱动电路的选择
从步进电机的原理来看，步进电机的转子由按照串联电极排列的永磁体构成，它们决定了每步的大小。
定子中含有多个绕组，产生的磁场与转子的永磁体之间产生互相作用。
控制电路产生的一个脉冲序列使定子绕组的电源接通和中断，电机便产生正向或反向旋转。
定子脉冲序列反向就会改变旋转方向，而由脉冲的频率控制旋转速度。
要使一个步进电机旋转，必须不断地使绕组通电和断电。
反之，如果一个绕组持续给予能量，则电机会停止旋转，通过保持力矩使之维持在某个角度位置上。
因而它们能够以非连续的步长进行运动，产生精确的角度位置信息，它直接由电脉冲信号进行控制。
所以，步进电机的驱动系统如其驱动系统框架图所示，它由需要控制电机旋转方向与转速等的控制装置、将来自控制装置的信号转换为脉冲的脉冲发生器以及对各绕组顺序分配脉冲电流的驱动电路构成。
图（5）步进电机驱动系统框架图
比较其驱动方式，分单极性驱动方式、双极性驱动方式恒流驱动方式等等。
由于单极性驱动方式低速时转矩特性差，而高速特性非常好，与题目要求不符。
双极性驱动方式的控制精度高，而且低速时可获得较大的转矩，比较符合题目要求。
双极性驱动电路大致可以分为两种，一种是采用正负双电源方式，这是在2个晶体管连接点与电源中点接步进电机的驱动绕组方式。
但需双电源供应，实际应用中不常采用。
第二种是采用单电源方式，这是采用2组晶体管的全桥方式。
经过比较，基于集成电路性能的稳定性，在步进电机的众多由集成芯片构成的驱动电路中，我们采用由L298构成的驱动电路。
L298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，使用比较方便且价格不高，故选用L298驱动电机。
其驱动电路如图（6）所示，其中采用两组二极管用于吸收步进电机所产生的浪涌。
图（6）L298驱动步进电机电路
（2）系统的硬件处理
我们采用“L”型支架，并在支架上固定一磁铁，摆锤亦采用小磁铁，质量约在20g~50g范围之内。
则由同极相斥，异极相吸的原理，当磁铁与摆锤距离在一定范围内，即可使摆锤与磁铁两者的相对位置保持不变。
只要控制磁铁的运动，即支架的运动就可以对摆锤的运动进行控制。
为了更加精确地控制支架的运动，我们用另一有118齿的齿轮与步进电机的18齿齿轮相配合。
由于步进电机的步距角为7.5度，则大齿轮每转一格，支架仅转动约3.05度，可以达到所需的精度要求。
在摆锤系统的初始状态，使支架固定在某一离开中线的位置，使摆锤自然下垂。
在硬件电路中设置五个功能键：
S1：
起摆按钮；
S2：
加速摆动按钮；
S3：
减速摆动的按钮；
S4：
停摆按钮；
S5：
复位按钮。
当按下S1时，步进电机驱动电路驱动步进电机开始工作，带动支架起摆，当支架经过摆锤所在平面时，摆锤与支架上的磁铁之间的引力作用，使摆锤随支架一起运动。
当按下S2键时，如
果摆锤正处于运动状态，则采用当摆锤经过最低点时作为状态的改变点。
当最低点处的红外光接受到信号时，即按键后摆球第一次回到最低点时，摆锤开始进行加速运动。
同理，按下S3键时，摆球在第一次回到最低点时，摆锤开始进行减速运动。
当按下S4键时，摆锤会在一定的缓冲时间内停止运动。
这是我们添加的功能。
当按下S4键时，单片机中会产生信息直接控制支架停止运动，摆锤自然停止。
此外，S5作为复位键，其功能为单片机硬件复位。
（3）软件工作原理
在我们的设计方案里，硬件部分电路简易且容易操作，这全归功于软件的设计。
在软件部分，我们应用单片机控制了步进电机转动。
软件部分的主要流程如图（7）所示。
图（7）
NO
YES
NO
为了能使摆锤的运动接近自然，我们经过精细的计算，以单片机的定时中断来控制摆锤摆动一个周期每个脉冲所占用的时间。
从而使摆球能尽量按我们所规定的周期摆动，并且在遇到外部中断时能及时处理。
（4）摆锤的周期检测
由于采用步进电机进行控制，而且我们在步进电机的齿轮上加配合了一个有118齿的大齿轮，所以为了使摆锤转动最大角为离中线20±
5度的范围，即大齿轮在1/4个周期中大约要转过7齿。
又电机只有18个齿，所以需要电机在1/4周期内要转过约140度，而步进电机的步距角为7.5度，则需要19个脉冲对其进行控制。
只要利用单片机在1/4个周期内产生19个脉冲对步进电机进行控制，即可以满足题目对转角的幅度要求，单片机完全可以达到要求。
（5）摆锤周期的显示和声音提示
与LED相比，液晶显示器LCD具有微功耗，体积小，显示内容丰富，超薄轻巧等特点。
正因为如此，在显示部分，我们采用LCD进行显示。
LCD与单片机的接口如图（8）所示：
图（8）LCD的接口示意图
由于题目只要求进行声音提示达到A、B点的时间，为了简化电路图，我们不采用语音芯片等较为复杂的电路，而只用蜂鸣器作为声音提示。
（5）红外光管的检测
由于单片机需要对摆锤是否到达最高点、最低点进行判断，我们用红外光管进行检测。
我们把红外光管固定在A、B、O三点，当摆锤经过时，红外光管检测到信息，并把信息传递到单片机中，单片机便执行相应的功能。
红外对管电路如图（9）所示
图（9）
三、理论分析与计算
（1）摆锤周期的确定
在摆锤周期的确定中，我们采用红外对管接收特定信号作为周期确定的标准。
由于此红外光管处于摆锤最低点的正下方，每次支架经过最低点，红外光管都会接收到信号，但作为判断周期的标准的信号具有：
当以初始状态的红外光管接收到信号记为红外光管第0次接收到信号，则我们在软件的设计中采用自动屏蔽红外光管第奇数次接收到的信号，以两次接收到信号的时间间隔作为摆锤周期。
这种设计避免了LCD显示器在显示时出现的各种显示的错误，大大地提高了编程的准确性。
（2）摆锤周期的计算
为了让摆锤摆动得自然，则摆锤与最低点的距离应满足正弦函数的关系，如图（10）所示。
所以摆锤的速度与时间应满足余弦函数的关系。
在1/4周期内，第n个脉冲与速度间有
Vn=COS[n*PI/（2*19）]
（1）式
又因为摆锤做变速圆周运动,所以Vn和角速度w之间应呈正比,即
Vn=R*w=R*X/tn
（2）式
X为转过的角度，由上图即有Vn与tn成反比，所以
tn=R*X/Vn（3）式
而Vn可由
（1）式求出，所以可以依次求出t1、t2……tn，而
t1+t2+……+tn=T/4
即可从中得出T的值。
SV
t
t
图（10）
四、测试方法及结果分析
（1）摆锤达到稳定时间测试
以摆锤的起摆作为计时的起点，记录其达到稳定状态所需要的时间t1。
重复该操作5次，即可得6组数据，并对其取平均值得T1。
若T1<
10s,则符合题目要求,否则不符要求。
1
2
3
4
5
6
T
t3
2.01
1.55
1.87
2.31
1.48
1.63
1.78
由测试结果来看，我们设计的方案在平均约为1.78s远小于要求的8s的时间范围要求，可以完成很稳定的摆动。
（2）摆锤周期的测试
当摆锤进入稳定状态后，选摆锤到达最高点时作为计时起点，当摆锤完成10个周期的运动时，停止计时。
计算此次测试的平均周期t2，并重复此操作5次，再对此六次的测试值取平均值即平均周期T2。
同时记录LCD上显示的周期t3，同样取其平均值T3。
比较T2和T3即可得显示周期与实际周期的误差水平，即可进行误差分析。
T（平均）
t1
1.531
1.468
1.522
1.478
1.489
1.530
1.503
t2
1.498
1.493
1.490
1.508
从以上数据可得，无论是实际测量的周期值，还是实际的液晶显示的数值都与理论值都非常接近，运用余弦的算法，与我们在单片机上设计时间（1.5S）非常吻合。
（3）受人为干扰后稳定时间测试
同前面的方法一样，测试并计算摆锤从受干扰到稳定摆动的平均时间T4。
列入下表：
t
5.652
4.221
7.122
5.671
6.215
2.332
5.202
以上数据与我们的所设计的标准有出入，由于我们设计的摆锤在开始与结束的时候可以与支架分开，所用的磁铁比较小，以便软件控制它们分开，实际效果很好，但因此也影响了人为干扰后的稳定时间。
（4）结束语
在此次的设计过程中，我们遇到了很多的问题。
在硬件电路中芯片的选择，与熟悉芯片的使用，在焊好数码管动态显示后发现在总程序中显示效果很差，后来用了LCD显示，。
在软件的调试中遇到的问题更多，用仿真，一步步地把程序调试出来，特别是在运用余弦函数计算脉冲宽度，计算的软件非常庞大，占用了很大篇幅，各种子函数的接合更是出现了无数的错误，但正确后成功的喜悦更是让人兴奋！
硬件跟软件配合基本上达到了设计的要求，能够通过键盘控制摆锤的摆动，且控制的摆锤摆动自然，（算法符合固有频率）在两边的A，B点都有声音提示，且摆锤的摆幅在40度左右偏差不大完全符合要求！
在使摆锤运动的时间很短不到3秒，在手受到人为干扰的时候也能很快的恢复，在八秒内。
用LCD我们的摆锤显示效果很好，用红外对管检测，能真实显示出摆动周期。
我们还创新设计了结束函数算法，用键盘控制摆锤与支架分离使摆锤停摆，还能在由开始键从新摆动，效果很好！
五、附件和参考文献
（1）系统使用说明
对该系统的使用：
首先把摆锤放在中线上，接通电源，摆锤处于待机状态。
把支架摆到非中线的地方，使得待机状态下摆锤不收支架上的磁力影响，处于自然下垂。
第二，按下离LM339近的按键S1，摆架慢速下摆到中线位置，以支架上的磁力带动摆锤摆动，二者一起速度仿余弦的周期运动。
他们在极短周期内可达稳定运动。
且摆动在20度范围，变化不大。
第三，按下靠近单片机复位键的按键S4，支架以一定速度突然摆动使得摆锤失去支架磁力作用，脱离支架作自由单摆运动。
最后将停止摆动。
（2）附件
元件清单如下：
步进电机1个、大齿轮1个、LCD显示器、80C51、按键开关4个、电阻270欧1个、10K排阻、电阻10K4个、0L298N1片、蜂鸣器1个、晶振1个、红外光管3对、二极管4个、10uF电解电容1个、瓷介电容2个、发光二极管3个、可变电阻3个及LM339N1片。
（3）参考文献
《MCS—51单片机应用设计》哈尔滨工业大学出版社出版张毅刚、彭喜源、潭晓昀、曲春波编著
《电动机控制电路应用实例》中国电力出版社出版何希才、姜余祥编著
《单片机原理及接口电路》高等教育出版社出版李全利、迟荣强编著
《手把手教你学单片机》北京航空航天大学出版社出版周兴华编著
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