通过单片机来设计自由摆的平板控制系统

（文章来源：电气新科技）

本文采用角度传感器，运算放大器，AD转换器采集平板变化信息，通过单片机，产生脉冲信号，控制电机模块驱动步进电机带动平板转动，摆杆角度越大步进电机转过的角度越大，从而控制平板状态基本保持水平，实现自由摆得平板控制。

自由摆的平板系统基本组成原理，根据自由摆的平板控制系统的设计要求，电机控制平板，当摆杆移动时要保持平板的平衡，因此需要采用传感器获得摆杆移动的角度值，再通过电机控制平板旋转相应的角度，从而保持平板的水平位置。其基本组成框图原理如下：

采用日本村田公司的ENV05G陀螺传感器，安装于平板，以获得平板的位置和姿态信息。当摆杆移动时，平板的水平位置会发生变化，此信号通过调理电路输入到AD0809转换器，单片机获得摆杆的变化信息，控制TA8435芯片，使摆杆上的电机也作相应的旋转，及时调整平板变化位置，从而使平板基本保持水平的位置。

硬件电路设计包括：传感器与信号采集电路，单片机控制电机电路。传感器采用日本村田公司的ENV05G陀螺传感器，通过检测，测量角度，实现运动物体的位置控制和姿态控制，它具备高可靠性，高精度，快响应，低噪音特点。

其输出到传感器外围调理电路，是一个由LM324运放组成的二阶压控源RC低通滤波器，信号从同相端输入，具有较高的输入阻抗，放大器的增益为：Auf=1+Rf/R1=1+33k/56k=1.589。输出信号首先经R1，R3分压，分压比为：56/(33+56)=0.629调理电路放大倍数为：0.629*1.589=1，传感器信号调理电路输出即为角度传感器能够输出的角度范围值。设计中将角度传感器放在摆杆上，从静止开始来回旋转，即可得到摆杆的实时角速度值，再通过软件处理输出角度值。

由于陀螺仪传感器输出为模拟信号，处理器单片机要想使用其提供的信息，必须进行A/D转换，把模拟信号转变为数字信号，从而实时得到角速度值。将运算放大器Vout输入给0809的IN0，将电压模拟信号转变为与之对应相等的数字信号，输入给单片机进行数据处理。OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

AD0809的数据输出公式为：Vout=Vin*255/5=Vin*51,其中Vin为输入模拟电压，Vout为输出数据。ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。CLK为时钟输入信号线。ADC0809内部无时钟电路，本设计中用单片机给ADC0809提供时钟信号，减少硬件电路。将A/D转换输出OUT口与单片机P2口相连，单片机接收的输入数字角速度量。

电机选择42BYGHW208型步进电机，此电机是两相四线制，体型较小，力矩可以满足要求。步进电机整步工作情况下，距角为1.8°，所以一个脉冲使电机转动1.8°。单片机电路，AD换后的数字信号交由单片机处理。由θ传=θ电机 ，通过控制步进电机输入脉冲频率控制其转动的角度，即可以基本实现要求，使平板在摆杆一个周期内转一圈，五个周期转五圈，也可以保持电机角度与摆杆角度相等，以此实现基本要求，使平板保持水平，实现硬币不能掉下的任务。

使平板随着摆杆的摆动而旋转：预计摆杆摆动一个周期所需的时间t，以此作为平板旋转一周的时间，则电机的角速度为360/t deg/s，因为电机步进角为1.8度，故所需脉冲频率360/(t*1.8)。以此计算出定时器的中断次数N，即可控制平板随着摆杆的摆动而旋转，摆杆摆一个周期，平板旋转一周。

使平板保持水平：开始——传感器电压增加——单片机控制电机左转，根据传感器输出电压幅值大小确定定时器定时时间，从而确定频率，从而控制步进电机的转速。用手推摆杆至50度，激光笔照射程序：推动摆杆至某一固定位置，由三角形角度关系及正余弦定理确定电机所需旋转角度，从而确定电机所需脉冲数目。由单片机产生100HZ的定时中断，由程序设置中断的数目，从而控制步进电机转过的角度。
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