基于電磁控制的周期運(yùn)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

【摘要】本系統(tǒng)以單擺為控制對(duì)象，通過電磁控制方式，設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)周期性運(yùn)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)幅度（擺角）和周期（頻度）的控制?？刂坪诵牟捎肁TMEL公司的ATmega16A，電磁線圈驅(qū)動(dòng)器采用L298，角度檢測采用MMA7455重力加速度傳感器，顯示采用LCD12864。通過PWM來控制線圈電流大小調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)單擺擺動(dòng)擺角和周期的控制。

【關(guān)鍵詞】電磁控制；單擺；ATmega16A；L298；角度傳感器MMA7455

1.系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)主要包括七大部分：控制器、角度傳感模塊、鍵盤輸入模塊、顯示模塊、線圈及驅(qū)動(dòng)模塊、聲光提示模塊、電源。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

1.1 電磁線圈

電磁線圈是本運(yùn)動(dòng)裝置的動(dòng)力源，采用2個(gè)相同繞制的線圈產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)磁場。鐵芯采用工業(yè)純鐵棒，0.35mm線徑銅漆包線繞制，直徑40mm*長度40mm，單線繞制，磁力大小取決于安匝數(shù)，即線圈電流和匝數(shù)的乘積。

1.2 控制器

采用ATmega16A單片機(jī)作為主控芯片。AT-mega16A是ATMEL公司的 8位系列單片機(jī)中的一款，應(yīng)用極其廣泛，具有如下特點(diǎn)：（1）高性能、低功耗；（2）先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)；（3）16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，512字節(jié)的EEPROM，1K字節(jié)的SRAM；（4）JTAG 接口，可實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash、EEPROM電線編程；（5）2個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，1個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；（6）4通道PWM；（7）8路10位ADC；（8）兩個(gè)可編程的串行USART，可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI 串行接口；（9）具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器；（10）片內(nèi)模擬比較器；（11）32個(gè)可編程的I/O口。

1.3 線圈驅(qū)動(dòng)模塊

采用L298驅(qū)動(dòng)電磁線圈。L298是一款高壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓，具有輸出電壓高（最高可達(dá)50V），可靠性高，占用空間小等特點(diǎn)。該芯片可以直接受控于單片機(jī)IO口提供的信號(hào)，因此，電路簡單，控制方便。

1.4 角度傳感模塊

MMA7455 是一款數(shù)字輸出（I2C/SPI）、低功耗、緊湊型電容式微機(jī)械三軸加速度計(jì)，具有信號(hào)調(diào)理、低通濾波器、溫度補(bǔ)償、自測、可配置通過中斷引腳（INT1或INT2）檢測0g、以及脈沖檢測（用于快速運(yùn)動(dòng)檢測）等功能。0g偏置和靈敏度是出廠配置，無需外部器件?？蛻艨墒褂弥付ǖ?g寄存器和g-Select 量程選擇對(duì)0g偏置進(jìn)行校準(zhǔn)，量程可通過命令選擇3個(gè)加速度范圍（2g/4g/8g）。該模塊輸出精確高，體積小，工作可靠，輸出為數(shù)字量等特點(diǎn)。

1.5 鍵盤輸入模塊

設(shè)置6個(gè)獨(dú)立按鍵，分別用于start/stop （啟動(dòng)/停止）、set（設(shè)置）、up（增）、down9減）、enter（確定）、back（返回）。

1.6 顯示模塊

采用12864漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示。12864液晶顯示模塊是128×64點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192 個(gè)中文漢字（16X16點(diǎn)陣）、128個(gè)字符（8X16點(diǎn)陣）及64X256點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM）?？膳cCPU直接接口，提供兩種界面來連接微處理機(jī)：8-位并行及串行兩種連接方式。具有多種功能：光標(biāo)顯示、畫面移位、睡眠模式等。

2.原理分析

2.1 電磁控制原理

電磁控制采用PWM原理，通過PWM控制通過電磁鐵的電流。

本系統(tǒng)的電磁控制電路的主要組成包括：PWM信號(hào)發(fā)生、L298驅(qū)動(dòng)電路。由Atmega16A內(nèi)部T/C2產(chǎn)生的固定的8位精度的PWM波作為驅(qū)動(dòng)芯片L298的輸入信號(hào)，通過L298控制電磁的通電情況來調(diào)節(jié)擺桿角度。電磁控制電路的框圖如圖2所示。

PWM原理：PWM是占空比不同的連續(xù)的方波。圖3為典型的PWM脈寬調(diào)整波形。圖3中：T是PWM波的周期；T1是高電平寬度；T1/T稱為PWM波的占空比。調(diào)節(jié)和改變T1的寬度，即可改變PWM的占空比。當(dāng)該P(yáng)WM波通過一個(gè)積分器后，可以得到其輸出的平均電壓為：

2.2 角度測量原理

本系統(tǒng)角度測量利用的原理是重力加速度計(jì)轉(zhuǎn)換成傾斜角的基本原理：即當(dāng)加速度計(jì)傾斜角與加速度計(jì)3軸輸出成一定對(duì)應(yīng)關(guān)系。已知傳感器的加速度大小，由兩者的關(guān)系可以求出傾斜角。將MMA7455加速度測量模塊固定在單擺上，并使之與單擺擺角面垂直。當(dāng)帆板傾斜角發(fā)生變化時(shí)，MMA7455輸出的加速度發(fā)生相應(yīng)變化。

采用單軸（z軸）傾斜計(jì)算法來計(jì)算帆板的偏轉(zhuǎn)角度。根據(jù)基本三角定理有：Z軸方向的重力投影等于重力的正弦分量。

在本題目中，擺板傾斜角與z軸輸出加速度的關(guān)系如圖4所示。即：

3.電路設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)控制電路

AVR最小系統(tǒng)由ATmega16A單片機(jī)（如圖5所示），ISP下載端口，晶振，復(fù)位電路及電源組成。

3.2 L298驅(qū)動(dòng)電路

該電路為L298的接線電路（如圖6所示）。本電路使能端（EN A和EN B）接高電平，通過控制輸入IN1，IN2和IN3，IN4來控制電機(jī)。L298可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，OUT1，OUT2為一個(gè)輸出組，OUT3，OUT4為另一個(gè)輸出組。本系統(tǒng)只要驅(qū)動(dòng)一個(gè)電磁線圈，只要用到一個(gè)輸出組。IN1，IN2控制OUT1，OUT2的輸入電平。本系統(tǒng)將單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波接電磁線圈的兩端，使得用PWM來控制IN1和IN2。所以，PWM占空比不同，電磁周圍的磁場強(qiáng)度也不一樣。

3.3 角度測量電路

MMA7455是數(shù)字輸出（如圖7所示），有I2c和SPI兩種總線可選，內(nèi)部有AD，與主控芯片連接好，當(dāng)改變傳感器的傾斜角度會(huì)觸發(fā)中斷并向主控芯片發(fā)送變化的數(shù)據(jù)，主控芯片可以通過讀取MMA7455不同寄存器的值來確定角度的改變。

3.4 鍵盤模塊電路設(shè)計(jì)

鍵盤模塊電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

3.5 LCD12864顯示模塊電路

LCD12864顯示模塊電路如圖9所示。

3.6 聲光提示模塊電路設(shè)計(jì)

聲光提示模塊電路如圖10所示。

5.后語

本裝置以單擺作為控制對(duì)象，采用電磁方式實(shí)現(xiàn)擺幅和周期控制，為非接觸式周期性運(yùn)動(dòng)裝置控制提供了一種方案。實(shí)測數(shù)據(jù)表明控制誤差稍大，可進(jìn)一步通過改進(jìn)電磁線圈繞制以及優(yōu)化角度傳感器MMA7455的較正算法得到降低。