摘要：基于自由擺的平板控制系統(tǒng)主要由擺架框架、數(shù)據(jù)采集部分、主控板和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)四大部分組成。擺架框架主要由固定支架、擺桿和平板構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集使用了高精度低量程的加速度傳感器MMA7361L；主控板以ATMEL公司8位單片機(jī)AT89S52為控制核心；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了WWX系列的步進(jìn)電機(jī)。自由擺的運(yùn)動(dòng)為連續(xù)的控制過(guò)程，控制規(guī)律采用了基于拉格朗日方程的平板狀態(tài)反饋控制算法。系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試表明，控制精度高，穩(wěn)定性好。
　　關(guān)鍵詞：平板控制系統(tǒng)；加速度傳感器；步進(jìn)電機(jī)；反饋控制算法
　　一、系統(tǒng)整體方案
　　自由擺平板控制系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集模塊、控制驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和自由擺本體等幾大部分構(gòu)成的一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
　　在系統(tǒng)中，通過(guò)加速度傳感器的反饋獲得自由擺平板的位移，控制驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)時(shí)讀取傳感器反饋的數(shù)據(jù)，確定控制決策，同時(shí)控制模塊通過(guò)處理器內(nèi)部的控制算法實(shí)現(xiàn)該控制決策，產(chǎn)生相應(yīng)的控制量，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)平板轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到平板的平衡狀態(tài)。
　　圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
　　二、硬件電路設(shè)計(jì)
　　1．?dāng)?shù)據(jù)采集電路
　　數(shù)據(jù)采集部分可以實(shí)現(xiàn)平板角度的檢測(cè)。該電路由傳感器電路、信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路三部分組成。傳感器選用MMA7361L型加速度傳感器，它是一種低功耗、小型電容式微機(jī)械加速度傳感器，具有信號(hào)調(diào)理、一階低通濾波器、溫度補(bǔ)償、自檢、帶有線性自由落體檢測(cè)的零重力檢測(cè)，以及可以選擇兩種靈敏度的重力選擇功能。它可根據(jù)物件運(yùn)動(dòng)和方向改變輸出信號(hào)的電壓值。各軸的信號(hào)在不運(yùn)動(dòng)或不被重力作用的狀態(tài)下，其輸出電壓為1.65V。如果沿著某一方向活動(dòng)或受到重力作用，輸出電壓就會(huì)根據(jù)其運(yùn)動(dòng)方向以及設(shè)定的傳感器靈敏度而改變輸出電壓。
　　為了提高傳感器的抗干擾能力，在傳感器的電源輸入引腳VDD附近設(shè)置了一個(gè)100nF的濾波電容，并以低阻抗連接到地。輸出信號(hào)Vout也通過(guò)一個(gè)小電容（10nF）接地保護(hù)。并將傳感器電路的輸出送入信號(hào)調(diào)理電路。
　　信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示，由圖2可見(jiàn)該電路是由LM324構(gòu)成的電壓跟隨器和同向比例放大器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)將輸入電壓信號(hào)放大2倍左右。
　　圖2信號(hào)調(diào)理電路
　　2.主控電路
　　主要負(fù)責(zé)接收ADC轉(zhuǎn)換后的角度信息，由單片機(jī)進(jìn)行處理進(jìn)而控制電機(jī)工作，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。主控電路主要由單片機(jī)及顯示等外圍電路組成。硬件電路簡(jiǎn)單，主要工作量集中在軟件的編程上。主控電路的構(gòu)成如圖3所示。
　　圖3主控電路構(gòu)成圖
　　三、軟件設(shè)計(jì)
　　1．軟件整體功能
　　軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能為：控制數(shù)據(jù)采集模塊獲得電壓數(shù)據(jù)，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得處理器可接受的電信號(hào)值，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間到時(shí)給予LED指示。
　　2．系統(tǒng)主程序流程
　　系統(tǒng)主程序分系統(tǒng)初始化模塊和控制算法模塊。為使后面的設(shè)置不受中斷的影響，系統(tǒng)首先屏蔽全部可屏蔽中斷，接著對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始模塊只在系統(tǒng)上電或復(fù)位時(shí)執(zhí)行一次。主程序流程圖如圖7所示。
　　圖7系統(tǒng)主程序流程圖圖8控制程序流程圖
　　結(jié)語(yǔ)
　　經(jīng)實(shí)際測(cè)試，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在自由擺運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，擺幅最大可達(dá)60度，運(yùn)動(dòng)同時(shí)可保持平板上放置的8枚硬幣不從平板上掉下。該系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制算法簡(jiǎn)單，控制精度高，在控制平板運(yùn)動(dòng)中取得了較為滿意的控制效果。
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