论文部分内容阅读
摘 要：本装置以STC12C5A60S2单片机为控制核心，辅以步进电机驱动电路、液晶屏显示电路、按键控制电路、声光报警电路等模块，实现了控制摆杆在指定的摆角（10°～45°）范围内连续摆动，并可通过按键开关进行工作模式的设定、摆动角度和周期的预置；通过液晶显示屏，实时显示当前工作模式、摆杆的当前摆动周期和角度；通过角度旋转编码器实现摆杆摆动角度的精确控制。
本装置的程序设计简洁优化，电机控制稳定可靠，摆杆的摆动周期和摆角的误差小、精度高。
关键词：摆杆运动控制；STC12C5A60S2；角度旋转编码器；步進电机
中图分类号：TM301.2 文献标识码：A 文章编号：
一、系统方案设计与核心部件选择
1、系统总体方案设计
本装置主要包括主处理器、液晶显示模块、按键模块、步进电机驱动模块、编码器角度测量模块、声光报警模块等几部分。由步进电机带动电磁铁摆动，形成摆动的磁场，从而带动运动摆杆在指定的角度范围内摆动，指针指示出摆动的角度，同时由编码器构成的闭环系统可实时检测摆杆摆动的角度，并可通过液晶显示屏显示。系统方案框图如图1-1所示。
图1-1 系统方案框图
2、机械部分设计
要实现对摆杆的精确控制，还需考虑电机驱动模式的构造。本装置采用的是如图1-2所示的双摆模式，制作一个摆轴由电机控制的辅助摆（L2），摆杆下端放置磁铁，同时摆L2与角度测试摆（L1）保持同心旋转，摆L2半径比摆L1长。两摆通过特定位置放置，达到L2上的磁铁与被测摆L1的磁铁相邻近平行。通过电机控制摆L2左右摆动，依靠磁场带动L1磁铁及L1摆杆做同步摆动。此模式便于操作且精确度较高。
图1-2 双摆模式原理示意图
3、核心部件选择
电机的选择：机械部分的构造确定后，还需根据机械构造结合对电机的性能要求选择合适的电机。本装置采用步进电机驱动，由于步进电机的输出力矩较低，能随转速的升高而下降，且其转速便于调节，更适用于摆杆等有精确角度要求的系统。
控制器的选择：本装置选择宏晶科技的STC12C5A60S2单片机，该芯片是单时钟（机器周期1T）单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S，即25万次/秒)，可以更好的支撑硬件电路，有效的减少编程量，且STC单片机运行速度较快，适用于实现电机的控制和用于强干扰的场合。
二、系统硬件电路设计
控制电路主要由单片机最小系统、按键模块、液晶显示模块、声光报警模块、电机驱动模块等部分组成。
1、液晶显示模块
液晶显示模块采用12864液晶，单片机串行控制，实时显示预置摆角、周期、工作模式等信息。
2、按键模块
通过四个独立按键（S1、S2、S3、S4）的不同搭配完成不同功能。
初始界面通过S4（切换）完成模式的选择，S1（确认）完成模式的确认。自由模式下通过S4（启动、停止）完成对装置的控制。控制模式下通过S4（切换）完成模式的选择，S1（确认）完成模式的确认。在周期控制、角度控制、双重控制模式下通过S4（切换）完成周期、角度的选择，通过S2（增加）、S3（减少）完成周期、角度的预置，S1（确认）按预置参数摆动。按键模块如图2-1所示。
图2-1 按键模块
3、电机驱动模块
本系统采用M415B细分步进驱动器。M415B是采用美国IMS公司先进技术生产的细分型高性能步进驱动器，适合驱动中小型的任何1.5A/相电流以下的两相或四相混合式步进电机。由于采用新型的双极性恒流斩波驱动技术，使用同样的电机时可以比其他驱动方式输出更大的速度和功率，其细分功能使步进电机运转精度提高、振动减小、杂讯降低。
该模块的主要技术参数：供电电压DC40V；斩波频率20KHz；最高响应频率为100KHz；细分精度有2、4、8、16、32、64可选；可驱动任何1.5A相电流以下的4、6、8线二相步进电机。步进电机驱动模块原理图如图2-2所示。
图2-2 步进电机驱动模块原理图
三、系统软件设计
摆杆运动控制装置系统软件主要包含：主程序、液晶显示子程序、按键控制子程序及电机驱动子程序等。系统上电后，首先进行初始化操作，液晶显示初始界面内容，即自由模式、控制模式选择，然后根据选择进入二级菜单，最后根据选择模式以及参数设定对电机进行操作，主程序流程图如图3-1所示。
图3-1 主程序流程图
自由模式时，摆杆周期和摆角为程序内置，分别为2s和45°。按下启动按键，摆杆按预设值自由摆动。按下停止按键，摆杆回到静止点。
控制模式下，有三种参数设定方式，分别是角度控制、周期控制、双重控制。
角度控制模式下可以对摆角进行预设；周期控制模式下可以对摆角进行预设；双重控制模式下可以同时对摆角和周期进行预设，完成参数设置后，摆杆根据预置周期、摆角进行相应运动。
四、性能分析与总结
经过反复调试检测，摆杆的摆角和周期均能在指定范围内预置且误差均在1°范围内，系统运行稳定、精确。
系统不足之处：电机运行会产生振动，虽然通过对底座的处理能起到减震作用，但还是应该从根本（电机）上去考虑解决方案。
参考文献：
[1] 郭天祥. 51单片机C语言教程. 电子工业出版社，2009
[2] 陈桂友. 增强型8051单片机实用开发. 北京：北京航空航天大学出版社，2009
[3] 熊建云. Protel 99 SE EDA技术及应用. 北京：机械工业出版社，2010
[4] 贾起民等. 电磁学. 北京：高等教育出版社，2010
[5] 坂本正文. 步进电机应用技术. 北京：科学出版社，2010
[6] 晶体管技术编辑部. 小型直流电机控制电路设计. 北京：科学出版社，2012
本装置的程序设计简洁优化，电机控制稳定可靠，摆杆的摆动周期和摆角的误差小、精度高。
关键词：摆杆运动控制；STC12C5A60S2；角度旋转编码器；步進电机
中图分类号：TM301.2 文献标识码：A 文章编号：
一、系统方案设计与核心部件选择
1、系统总体方案设计
本装置主要包括主处理器、液晶显示模块、按键模块、步进电机驱动模块、编码器角度测量模块、声光报警模块等几部分。由步进电机带动电磁铁摆动，形成摆动的磁场，从而带动运动摆杆在指定的角度范围内摆动，指针指示出摆动的角度，同时由编码器构成的闭环系统可实时检测摆杆摆动的角度，并可通过液晶显示屏显示。系统方案框图如图1-1所示。
图1-1 系统方案框图
2、机械部分设计
要实现对摆杆的精确控制，还需考虑电机驱动模式的构造。本装置采用的是如图1-2所示的双摆模式，制作一个摆轴由电机控制的辅助摆（L2），摆杆下端放置磁铁，同时摆L2与角度测试摆（L1）保持同心旋转，摆L2半径比摆L1长。两摆通过特定位置放置，达到L2上的磁铁与被测摆L1的磁铁相邻近平行。通过电机控制摆L2左右摆动，依靠磁场带动L1磁铁及L1摆杆做同步摆动。此模式便于操作且精确度较高。
图1-2 双摆模式原理示意图
3、核心部件选择
电机的选择：机械部分的构造确定后，还需根据机械构造结合对电机的性能要求选择合适的电机。本装置采用步进电机驱动，由于步进电机的输出力矩较低，能随转速的升高而下降，且其转速便于调节，更适用于摆杆等有精确角度要求的系统。
控制器的选择：本装置选择宏晶科技的STC12C5A60S2单片机，该芯片是单时钟（机器周期1T）单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S，即25万次/秒)，可以更好的支撑硬件电路，有效的减少编程量，且STC单片机运行速度较快，适用于实现电机的控制和用于强干扰的场合。
二、系统硬件电路设计
控制电路主要由单片机最小系统、按键模块、液晶显示模块、声光报警模块、电机驱动模块等部分组成。
1、液晶显示模块
液晶显示模块采用12864液晶，单片机串行控制，实时显示预置摆角、周期、工作模式等信息。
2、按键模块
通过四个独立按键（S1、S2、S3、S4）的不同搭配完成不同功能。
初始界面通过S4（切换）完成模式的选择，S1（确认）完成模式的确认。自由模式下通过S4（启动、停止）完成对装置的控制。控制模式下通过S4（切换）完成模式的选择，S1（确认）完成模式的确认。在周期控制、角度控制、双重控制模式下通过S4（切换）完成周期、角度的选择，通过S2（增加）、S3（减少）完成周期、角度的预置，S1（确认）按预置参数摆动。按键模块如图2-1所示。
图2-1 按键模块
3、电机驱动模块
本系统采用M415B细分步进驱动器。M415B是采用美国IMS公司先进技术生产的细分型高性能步进驱动器，适合驱动中小型的任何1.5A/相电流以下的两相或四相混合式步进电机。由于采用新型的双极性恒流斩波驱动技术，使用同样的电机时可以比其他驱动方式输出更大的速度和功率，其细分功能使步进电机运转精度提高、振动减小、杂讯降低。
该模块的主要技术参数：供电电压DC40V；斩波频率20KHz；最高响应频率为100KHz；细分精度有2、4、8、16、32、64可选；可驱动任何1.5A相电流以下的4、6、8线二相步进电机。步进电机驱动模块原理图如图2-2所示。
图2-2 步进电机驱动模块原理图
三、系统软件设计
摆杆运动控制装置系统软件主要包含：主程序、液晶显示子程序、按键控制子程序及电机驱动子程序等。系统上电后，首先进行初始化操作，液晶显示初始界面内容，即自由模式、控制模式选择，然后根据选择进入二级菜单，最后根据选择模式以及参数设定对电机进行操作，主程序流程图如图3-1所示。
图3-1 主程序流程图
自由模式时，摆杆周期和摆角为程序内置，分别为2s和45°。按下启动按键，摆杆按预设值自由摆动。按下停止按键，摆杆回到静止点。
控制模式下，有三种参数设定方式，分别是角度控制、周期控制、双重控制。
角度控制模式下可以对摆角进行预设；周期控制模式下可以对摆角进行预设；双重控制模式下可以同时对摆角和周期进行预设，完成参数设置后，摆杆根据预置周期、摆角进行相应运动。
四、性能分析与总结
经过反复调试检测，摆杆的摆角和周期均能在指定范围内预置且误差均在1°范围内，系统运行稳定、精确。
系统不足之处：电机运行会产生振动，虽然通过对底座的处理能起到减震作用，但还是应该从根本（电机）上去考虑解决方案。
参考文献：
[1] 郭天祥. 51单片机C语言教程. 电子工业出版社，2009
[2] 陈桂友. 增强型8051单片机实用开发. 北京：北京航空航天大学出版社，2009
[3] 熊建云. Protel 99 SE EDA技术及应用. 北京：机械工业出版社，2010
[4] 贾起民等. 电磁学. 北京：高等教育出版社，2010
[5] 坂本正文. 步进电机应用技术. 北京：科学出版社，2010
[6] 晶体管技术编辑部. 小型直流电机控制电路设计. 北京：科学出版社，2012