原创《小球滚动控制实验系统设计和实现》
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中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16871/j.cnki.kjwhc.2018.07.026
摘 要为激发学生对控制系统的理解,设计一个小球滚动控制实验系统.该系统由IAP15W4K58S4 单片机、红外传感器、角度传感器等部分组成.该系统采用30 组红外对管水平分布于60cm 的U 型槽两侧,能准确检测小球在U 型槽内的实时位置,且误差在2cm以内.单片机对红外和角度传感器进行采集和运算,转换成PWM 信号驱动电机控制器,控制步进电机拉动细线有规则地上下运动.通过测试,小球在U 型槽内能做停止、滚动、往复运动等动作.
关键词滚动控制单片机PWM PID
Design and Implementation of Ball Rolling Control System// Zhang Xie
Abstract A ball rolling control experiment system is designed forstimulating students´ understanding of control system. The systemconsists of IAP15W4K58S4 MCU, infrared sensors, angle sensorsand other components. The system uses 30 sets of infrared tubeshorizontally distributed on both sides of the U-shaped groove60cm, can accurately detect the real-time position of the ball inthe U-shaped groove, and the error is within 2cm. The SCM collectsand computes the infrared and angle sensors, converts theminto PWM signals to drive the motor controller, and controls thestepper motor to pull the fine lines up and down regularly.Through repeated testing, the ball can stop, roll, and reciprocatein the U-shaped groove.
Key words rolling control;MCU;PWM;PID
1 引言
电机控制是控制系统的一个典型应用场景,为加深学生对控制系统的理解本文将全国电子设计大赛的竞赛题,设计成一个创新性实验系统,用以加深学生对电机控制PWM和PID算法的理解.
2 实验系统总体方案
该系统结构示意图如图1 所示.由固定支架、传感器模块、电机、导轨、控制器等部分组成,导轨以厘米（cm）为单位标注位置,导轨的一端由固定在顶梁上的电机控制其上下运动,使小球在轨道上灵活地滚动或定位.
2.1 传感器模块
系统需要知道小球在导轨内的实时位置,以便驱动电机控制导轨上下运动,所以选择在轨道两侧安装感应电路来检测小球.考虑到偏差不允许超过2cm,因此在60cm 长的导轨上每隔2cm 安装一个感应模块（1cm 处未安装）,一共安装30 个感应模块.在导轨两端0cm 和60cm 处,采用感应模块设置触发机构,当小球触碰两端时,系统有明显声、光指示.
2.2 电机控制方案
采用步进电机+ 电机驱动器（微步细分控制.）虽然步进电机角度分辨率低,且转动时伴随着强烈振动,若通过微步细分控制,一方面可以提高角度分辨率,另一方面可以降低振动,故选择该方案.
2.3 角度传感器选型
采用MPU6050 姿态角度测量模块,该模块采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法,能够在动态环境下准确输出模块的当前姿态,姿态测量精度0.01 度,该模块采用串口通讯方式,使用简单,抗干扰能力强,故采用此方案来测量角度.
3 实验系统设计与参数计算
3.1 系统总体设计
该系统采用IAP15W4K58S4 单片机作为主控制芯片,控制红外传感器、角度传感器、电机控制器等模块,系统总体框图如图2 所示.
3.2 步进电机控制器参数计算与设置
采用两相步进电机控制器控制步进电机运动、停止,在使用控制器之前,需要对控制器各种参数进行计算和设置.
3.2.1 计算PWM相关寄存器的值
采用单片机内部PWM 模块产生脉冲信号,驱动电机控制器工作.经过测试,1000Hz 的PWM 信号能使步进电机稳定地工作,系统晶振频率为24MHz,PWM 相关寄存器赋值方法如下：
3.2.2 设置控制器的工作电流、微步细分和衰减模式设置
依据测试,进步电机控制器的工作电流设置0.6A,微步细分数设置为16,衰减模式设置为中.
4 电路设计
系统的硬件电路主要包括：单片机小系统、红外传感器检测、角度传感器、步进电机驱动、声音提示、LCD 显示、按键、电源等电路.
4.1 单片机小系统电路设计
采用STC 公司的IAP15W4K58S4 单片机,该芯片具有专门的高精度PWM、5 个16 位定时器/计数器等丰富的片内资源,而且采用了基于Flash 的在线系统编程（ISP）技术,不需要外部晶振,本系统选择24MHz 的内部晶振.单片机小系统的单片机控制电路和ISP 程序下载电路如图3 和4 所示.
4.2 红外传感器检测电路设计
采用30 组红外对管和电压比较器组成红外传感器检测电路,如图5 所示.IR1-IR30 的输出信号连接到单片机,用于检测小球在U 型槽中的位置,每组电路原理相同,以其中一组电路进行分析,红外传感器Q2 的输出信号经过LM339 电压比较器.当比较器输出低电平时,LED2 亮,表示红外传感器检测到小球；当比较器输出高电平时,LED2 灭,表示红外传感器没有检测到小球.
4.3 步进电机驱动电路
选用成品步进电机驱动器,单片机输出步进脉冲和方向控制信号.步进电机驱动器的脉冲信号频率为1000Hz,工作电流0.6A,微细分数16,衰减模式为中.
4.4 LCD显示电路、声音提示设计
由于单片机引脚有限,所以LCD12864 液晶屏工作在串口模式下.另外,单片机输出高电平通过非门驱动有源蜂鸣器发出响声.由于这部分电路比较简单,在此故不作详述.
5 软件设计
该系统4 个按键分别表示为功能切换（KEY1）、参数设置（KEY2）、功能启动（KEY3）和小球停止（KEY4）,采用KEY1 循环切换基本部分4 个功能和发挥部分3 个功能,LCD12864显示屏上显示当前选定的功能.主程序流程图和电机控制子程序流程图如图6 和7 所示,具体程序设计思路如下：
5.1 实现基本部分1、2 和3 功能的软件设计思路
按KEY1 键,选择基本部分1、2 或3 中的某一功能,按下KEY3 键,则功能启动,首先系统读取角度传感器数据、检测小球位置；其次上升导轨使小球回到原点（0cm 处）；最后通过PID 算法,控制PWM 驱动电机动作,使小球在轨道内作左滚动、右滚动、往复运动、静止等题目所要求的动作.
5.2 实现基本部分4 功能的软件设计思路
按KEY1 键,选择基本部分4 功能；再按KEY3 键,小球以30cm 处为中心,且最大位移在10cm 左右做往复滚动；当导轨上升且小球过30cm 处向右运动时,按下KEY4 键,导轨回到水平状态,小球缓慢地向左运动,并停止在30&plun;2cm处.
5.3 实现发挥部分1 功能的软件设计思路
按KEY1 键,选择发挥部分1 功能时,按下KEY2 键,进行往复运动周期3-8s 间设置.然后再按下KEY3 键,启动系统,使小球从原点静止开始运动,并在30s 内完成不少于3 次往复运动.
5.4 实现发挥部分2 功能的软件设计思路
按KEY1 键,选择发挥部分2 功能时,按下KEY2 键,进行往复运动偏离中心的最大位移在15cm-25cm 区间设置.然后再按下KEY3 键,启动系统,使小球从原点静止开始运动,并在30s 内以30cm 处为中心,做不少于4 次往复运动.
5.5 实现发挥部分3 功能的软件设计思路
当KEY1 选定“发挥部分3 功能”时,按下KEY2 键,小球以20cm 处为中心作3 次往复运动,然后以40cm 处为中心作3 次往复运动；再以20cm 处为中心作3 次往复运动,如此循环切换中心点做往复运动.
6 系统测试
采用2cm 厚的优质有机玻璃制作U 型槽,选择8-10cm的轴承钢珠作为小球,选择不影响红外传感器工作的环境下测试.
6.1 基本部分功能测试
测试小球触碰轨道两端50 次,每次都有蜂鸣器报警和LED 指示,说明系统基本部分1 功能达到题目要求.其他基本部分功能测试结果如表1- 表3所示.
6.2 发挥部分功能测试
发挥部分1 和2 功能测试结果如表4 和表5 所示,发挥部分3功能测试效果为：小球以20cm 和40cm 中心做往复运动,每个中心往复运动3次.
7 结论
本实验系统采用角度传感器判断导轨倾斜角度,以及设计30 组红外传感器检测小球在U 型槽内的实时位置,基于这两个关键参数,完成了实验基本部分和发挥部分的功能要求,并且部分指标远超过本实验系统要求,如基本功能2,10s 导轨从&plun;60°范围内的任一位置调整至水平状态.但是U 型槽的光滑度、测试环境光线、小球的材质会影响测试效果.
系统设计论文参考资料：
综上资料：该文是一篇关于对不知道怎么写小球和系统设计和滚动论文范文课题研究的大学硕士、系统设计本科毕业论文系统设计论文开题报告范文和文献综述及职称论文的作为参考文献资料。
