小球滚动控制系统

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 小球滚动控制系统 摘要：该系统以 STC89C52 单片 机为核心对一端固定导轨上的小球实现 滚动控制。通过比较研究给出系统总体 方案设计，通过系统理论分析与计算给 出硬件设计电路及设计程序。该控制系 统通过单片机接收角度传感器 SCA60C 和红外测距传感器发来的信号来控制电 机的正反转，进一步控制与电机相联的 导轨上下运动，从而使小球在导轨上按 要求灵活滚动或定位。 中国论文网 /8/view-12908745.htm 关键词：STC89C52；SCA60C ； 步进电机；红外测距传感器 中图分类号：TP273 文献标识码： A 文章编号： 1009-3044（2016）29- -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 0221-04 小球滚动控制系统为我院参加电 子制作比赛的作品。它采用单片机控制 电机的运动，进而控制导轨的一端上下 运动，实现导轨中小球的往复运动或停 留。本系统具有控制方便、实现简单、 抗干扰能力强的优点。其原理框图如图 1 所示。 1 系统方案 1.1 系统总体方案设计 本系统由主控制器、键控调节、 角度检测、位置检测、电机控制和声光 报警等功能模块组成。系统总体框图如 图 2 所示。 1.2 主控制器的选择 方案 1：采用可编程逻辑器件 CPLD，具有并行输入输出方式。它在 系统处理的速度上较快，但是模大、 结构复杂，而本系统不需要复杂的逻辑 功能，对数据处理速度的要求也不是非 常高。 方案 2：采用 FPGA 作为系统的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 控制器。FPGA 可以实现各种复杂的逻 辑功能，规模大，密度高。但是因其价 格较高使系统成本增加，高速处理优势 得不到体现。 方案 3：采用 STC 公司的 STC89C52 单片机作为主控制器。 STC89C52 是一种新型的 51 内核的单片 机，它内部包含 8KBFLASH ROM 和 512B RAM，正常工作模式下典型功耗 4-7mA，空闲模式下小于 2mA，具有 32 个双向输入/输出 I/O 口、3 个 16 位 定时/计数器和 5 个两级中断结构。它在 操作时简便，对单片机的电源、时钟、 复位电路进行特殊处理，避免人为干扰。 从使用的方便及经济性角度考虑， 选择方案 3。 1.3 角度传感器的选择 方案 1：采用量角器测量导轨从 15范围内的任一位置调整至水平状态。 它在测量的时候比较直观、简易，但在 功能实现上误差大、准确度不够。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 方案 2：MMA7455 是一款数字 输出、低功耗、微机械加速器，具有信 号调理、低通滤波器的功能，但要得到 角度信号，需要三角函数的计算，得出 结果存在误差。 方案 3：SCA60C 单轴倾角传感 器，测量范围（90） ，单机 5V 供电， 比例电压输出，模拟 0.5-4.5V 输出，左 右倾斜角度报警范围 0-90、90-180全 范围可调，调整精度为1。它在使用 的时候耗能低、精度比较高，便于测量 的准确度。 鉴于角度精度的要求，选择方案 3。 1.4 红外传感器的选择 方案 1：采用超声波传感器测距。 它是利用超声波的特性进行工作，具有 频率高、波长短、绕射现象小，但是它 易受干扰、测距精度不高。 方案 2：采用光电传感器测距。 它的抗干扰性好，测量能力好，特别适 用于高精密、小元件的机械设备测量， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 但是不在密封环境下用容易被污染失效， 不利于物体的测量。 方案 3：采用红外传感器测距。 它是可通过电位器旋钮调节检测距离， 有效距离范围 2-30cm，工作电压为 3.3V-5V，而该传感器具有干扰小、便 于装配、使用方便。 为了使用方便、测距精度高，选 择方案 3。 1.5 电机的选择 方案 1：采用直流电机，利用直 流电机的正反转来控制导轨的升降。它 在控制上简便、调速性能好，但是可靠 性差、转速快不利于导轨的控制。 方案 2：采用舵机来实现功能， 其结构紧凑、易于安装、控制简单，但 是相应周期必须大于 20ms，不利于性 能的调试。 方案 3：采用步进电机来控制导 轨的升降。其特点如下：供电电压 24VDC-50VDC，电流 1A-4A，它便于 自动化控制、定位精度高、转矩波动小， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 低速运行很平稳。 为了定位的精准度、稳定性，选 择方案 3。 2 系统理论分析与计算 2.1 步进电机工作原理 步进电机是一种将电脉冲转换成 相应角位移或线位移的电磁机械装置， 具有快速启、停能力，可以通过输入脉 冲来控制它在一瞬间的启动或停止。它 有 4 条励磁信号引线 A，A-，B，B-， 通过控制这 4 条引线上励磁脉冲产生的 时刻，即可控制步进电机的转动。每出 现一个脉冲信号，步进电机只走一步。 因此，只要依序不断送出脉冲信号，步 进电机就能实现连续转动。 细分型两相混合式步进电机驱动 器 HST884A，采用直流 16-50V 供电， 适合驱动电压 24V50V，电流小于 4.0A 外径 4286 毫米的两相混合式步 进电机。此驱动器采用交流伺服驱动器 的电流环进行细分控制，电机的转矩波 动很小，低速运行很平稳，几乎没有振 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 动和噪音。高速时力矩也大大高于其它 二相驱动器，定位精度高。 2.2 红外传感原理 该传感器模块对环境光线适应能 力强，其具有一对红外线发射与接收管， 发射管发射出一定频率的红外线，当检 测方向遇到障碍物（反射面）时，红外 线反射回来被接收管接收，经过比较器 电路处理之后，绿色指示灯会亮起，同 时信号输出接口输出数字信号（一个低 电平信号） ，可通过电位器旋钮调节检 测距距离范围 2-30cm，工作电压为 3.3V-5V。该传感器的探测距离可以通 过电位器调节、具有干扰小、便于装配、 使用方便等特点。 本系统采用红外遥控的方式进行 流程的操作。 2.3 角度测量原理 角度传感器输出 0.5-4.5V 线性变 化的电压，使用 A/D 进行角度信号采样， 输出角度变化的数字量。 导轨旋转每度的电压变化量为 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 Vc=（ 3.48V-2.68V）/（105-75 ） 0.0267 伏/度（通过实测当导轨角度为 105。时，则电压为 3.48V；当导轨角度 为 75。时，则电压为 2.68V） 。A/D 的 分辨率为 R=1/2=1/256。则导轨旋转 角度&与输出实时电压 vx 和最小分辨率 R 的关系为： &=VxR/（Ve+2.68 ） 3 硬件电路设计 3.1 报警电路的设计 根题目要求，需在导轨两端 设置触发机构，当小球在触碰导轨左右 端头时会有明显的声或光指示，所以需 用一个报警电路控制来实现该功能，其 报警电路如图 3 所示。 3.2 电源电路的设计 设计的电源电路对电机驱动进行 供电，实现电机的正常工作，电路如图 4 所示。 3.3 电机控制电路的设计 为控制电机的转速和转动方向， 需要步进机和驱动器及单片机之间的连 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 接。步进电机和驱动器需要 24-50V 的 电压驱动。将 89C52 芯片的 P1 口与电 机相连。电机驱动电路如图 5 所示。 3.4 角度传感器控制电路的设计 为实现 15s 内使小球在导轨上做 3 次往复运动，控制范围为 5-55cm。由 于角度传感器的调节范围为 0-180，所 以需将角度传感器 90放置，对应导轨 在 75-105范围内进行调整；用角度传 感器进行检测，产生角度检测信号通过 单片机驱动电机来控制导轨的运动，当 其角度小于 90时电压小于 3V，则导轨 向上运动；当角度大于 90时电压大于 3V，则导轨向下运动，并可以完成在区 间 5-55cm 内的 3 次往复运动。角度传 感器的电路如图 6 所示。 3.5 红外测距传感器控制电路的 设计 根据题目要求，小球在 25-35cm 区间某一位置静止不滚动。通过红外测 距传感器来检测小球在导轨中的位置， 将信号输入到单片机中（红外遥控也可 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 进行操作，用于实操中演示） ，通过程 序设定控制小球在导轨内的平衡状态， 从而使小球能在导轨中静止，达到距离 检测和定位的作用。红外测距传感器控 制电路如图 7 所示。 4 程序设计 程序设计流程如图 8 所示。 5 测试方案与测试结果 5.1 调试方法与仪器 根据本系统的设计要求，制作了 小球滚动控制系统。制作完成后，对步 进电机、角度传感和红外传感进行了测 试。 步进电机的测试采用了 PWM 脉 宽调制技术，通过控制单片机的 I/O 口 来输出占空比不同的方波信号从而实现 了对步进电机转速的调节。 角度传感测试采用了 YL-90 角度 传感器模块，该模块输出为模拟电压值， 0 180对应 0.5-4.5V。导轨以原点为中 心运动，角度传感模块感应位置变化， 输出信号到单片机从而控制电机。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 红外传感测试采用了丰川电子有 限公司的红外模块，检测方