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这与前两种驱动方式相比,它的技术含量高,可以达到很高的控制精度,是一种可以满足柔性控制要求的理想驱动方式。
基于以上分析论证,我们选择方案三。
2.数据检测模块
方案—:
可见光发光二极管与光敏二极管组成的发射—接收电路。
这种方案的缺点在于:
其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰,一旦外界光亮条件改变,极可能造成误判和漏判;
虽然采取超高亮发光管可以降低一定的干扰.但这又将增加额外的功率损耗。
霍尔传感器检测。
霍尔元件结构简单,体积小,硬件设计电路简单、方便。
但是距离受磁场强度的影响及检测体接近方向的影响,有可能出现二个工作点,固定时不允许使用铁质材料。
红外组成的发射-接收电路。
红外光波长比可见光长,因此受可见光的影响较小,同时红外系统还具以下优点:
尺寸小、质量轻,能有效的抗可见光波段的伪装,对辅助装置要求最少,对人眼无伤害。
基于以上三种方案,由于我们这次是近距离检测,所以选择红外检测。
3.键盘控制模块
方案一:
4*4键盘。
太浪费单片机的IO口。
2*8键盘。
利用集成芯片,可节省单片机的IO口。
基于以上两种方案,我们选择方案二。
4.液晶显示模块
方案一:
采用LED数码管显示器。
LED数码管亮度高,体积小,重量轻。
但是其电路复杂,占用资源较多,显示信息量较小。
在本题目中受到限制。
方案二:
采用液晶显示器。
LCD有明显的优点:
微功耗、轻便防震,尺寸小,超薄轻巧、显示信息量大、字迹清晰、美观、视觉舒适;
可以用字符LCD液晶进行菜单显示,使整个控制系统更加人性化。
基于上面的比较分析和现有的LCD器件,拟选用方案二。
5、电源模块
所有器件采用单—电源(6节AA电池)。
这样供电比较简单;
但是由于驱动线圈的电流波动较大,会造成电压不稳、有毛刺等干扰。
从滤波电路输出后,直接进入线性稳压电路。
(电路图如图所示)线性稳压电路输出值可调。
这种方案虽简单易调,但效率上难以保证。
线性稳压电路的输入端一般为15V左右电压,而其输入端只为9-12V。
在单摆中,我们要用5V电压来驱动单片机,以此来判断12V电压的中断与否。
此种方案不能实现。
双电源供电。
驱动电源与单片机以及其周边电路电源完全隔离,利用光电耦合传出信号。
这样做虽然不如单电源方便灵活,但可以将线圈驱动所造成的干扰彻底消除,提简了系统稳定性。
基于以上三种方案,我们选择方案三。
二、系统设计及工作原理
方案一:
一种纯硬件闭环控制系统。
该系统优点在于速度快,但可靠性差、控制精度低、灵活性小、线路复杂、调试安装都不方便、而且实现打印、扩展等困难。
一种采用以8051单片机为核心进行整个系统的管理、协调。
该系统如下图。
根据前面的模块方案,我们选择方案二。
该系统的原理是通过单片机控制PWM驱动电路驱动摆锤在线圈磁场中运动,当摆锤运动到A、B顶点时,这是用红外检测到并有声音响起,单片机记录这时的时间,就可以算出周期T。
单
片
机
摆锤
驱动电路
红外检测
图一
三.硬件原理分析
1.脉宽调制式(PWM,pulsewidthmodulation)驱动电路
驱动电路原理图如下:
图3-1-1
本线圈驱动模块的电路基于PWM原理的H型驱动电路。
从图中我们可以看出当接单片机口UG2为高电平,UG1为低电平时,Q5、Q8管导通,Q6、Q7管截止,电流正向流;
当UG2为低电平,UG1为高电平时,Q5、Q8管截止,Q6、Q7管导通,电流反向流,从而控制线圈磁场的方向,达到控制摆锤的运动方向。
另外四个二级管起到保护线圈电流作用。
我们运用了光耦PC817集成块,将控制部分与线圈的驱动部分隔离开来,这样不仅增加了各系统模块之间的隔离度,也使驱动电流得到了大大的增强。
由于线圈平均功率满足如下关系:
其中,
为线圈两端的平均功率;
为线圈运动的功率;
为脉宽。
可见,线圈的平均功率与脉宽成正比。
线圈运动后其平均功率
则
式中
显然电机的转速与脉宽成正比。
单片机发出的脉冲信号的占空比决定PWM放大器输出的电压平均值的大小。
2.红外检测模块
原理图如下:
图3-2-1
该检测电路的的红外光源由红外发光管D提供。
采用脉冲信号驱动红外发光管,除了利用锁相环路解码LM567以提高检测灵敏度并消除背景光的干扰外,还能使发光管在平均输入功率不变的情况下比直流驱动方式增加1倍的瞬时发射功率。
在接收端,为提高检测灵敏度,在光敏接收监视至锁相环路解码器之间插入一级交流放大器NE5532,以对光敏接收管接收到的微弱信号进行放大。
当锁相环路解码器输入信号的幅度大于20mV(rms)且频率落入锁相环路的捕获带时,环路立即对输入信号锁定。
LM567是一个高稳定性的低频集成锁相环路解码器,其良好的噪声抑制能力和中心频率稳定。
我们利用LM567的“频率继电器”工作方式,设计了一个脉冲光电检测电路。
靓声王NE5532S作为前后级运放,使得信号放大。
与直接驱动式光电检测相比,由于在光敏管之后增加了交流放大,因而接收灵敏度大为提高。
同时也防止了环境光对光电检测器的影响,使检测器可在较强环境光下正常工作。
采用上述方案构成的光电检测器的灵敏度和可靠性均能达到令人满意的结果。
3.键盘控制与液晶显示
该电路的特点是用了两个芯片74LS164移位寄存器,减少了键盘、显示与单片机的IO接口,简化了硬件。
4.电源模块
本系统自带5路电源:
十5v、+12v、,其中两路十5v电源分别给控制电路的数字部分和模拟部分供电,这样避免了数字电路的大信号影响模拟部分,有利于提高控温精度和可靠性。
12v用于与Pc机串行通信。
5.单摆硬件模块
方案的选择与论证:
根据题目的要求,整个系统可以划分为三个基本模块。
为了使各个模块具有更好的性能,分别有以下不同设计方案的对比:
1、起摆装置的选取
根据题目要求,需要设计一个可控制的单摆运动。
为了控制单摆的摆幅符合题目要求,我们决定采用步进电机的工作原理来控制单摆的运动。
具体方案如下:
如图1-1所示,做一块竖着的板,把硅钢片做成适当形状,上面绕上适当的线圈固定在木板上,使单摆在木板前方作单摆运动,利用步进电机的原理,把线圈上通有不同的电流,产生不同的极性,使它能推动单摆运动,达到题目要求。
这个方案的优点是机械装置的制作简单,缺点是会吸引摆锤向木板的方向偏移,从而产生失步现象。
如图1-2所示,把硅钢片做成适当形状,上面绕上适当的线圈固定在单摆正下方,使单摆在硅钢片正上方作单摆运动,利用步进电机的原理,把线圈上通有不同的电流,产生不同的极性,使它能推动单摆运动,达到题目要求。
这个方案比较容易控制单摆的运动,而且不易出现失步现象。
在单摆摆绳连接在一小段刚性材料上,把刚型材料夹上一个夹子,然后固定在固定点上,通过夹子的直线运动来带动刚型材料的摆动,从而使得单摆摆动。
这个方案的优点是机械装置的制作简单,缺点是不容易控制单摆摆动的摆幅。
基于以上的分析对比,拟采用方案二。
2、摆锤的选取
摆锤可以选取大于100克的铁磁材料、永久磁铁、带铁芯的线圈,考虑到硅钢片上漆包线绕成的线圈可通过的电流大小有所限制,产生的磁力大小有限,因此铁磁材料效果不够明显;
如果用带铁芯的线圈作摆锤,这样的机械装置制作起来比较麻烦。
因此,最后决定用永久磁铁作摆锤。
三.系统软件设计
1.系统总流图如图一
其单摆的频率计算如下:
1.单摆在角位移
小于于
的情况下,由图5-1-1所示,摆锤所受的力矩为
式中M与
的关系,恰似弹性力F与位移x的关系,根据转动定理
,单摆的角加速度为
式中J是摆锤对悬挂点A的转动惯量(
),因此,上式可写成
(1-1)
2.单摆在角位移
大于
的情况下,由于
不能近似等于
所以单摆的公式应写成
(1)
式中的
是由式-1-1表示的角频率。
将
展开为级数
取前二项代入式
(1),得
这是非线性方程,很难求得精确的解析解,但研究表明可以应用迭代法求地其一次近似解为
(2)
其中
式
(2)表明,此时摆的运动不是单一的简谐运动,而是一种较为复杂的振动。
若用振动学的术语来说,它是由两中振动组成的合振动。
四.系统的整机调试
软件编程是实现系统智能化,多功能化的关键。
由于控制要求相对而言比较高,编程时采用AT89C51单片机开发语言。
本系统软件的开发采用自顶向下,结构化的程序设计方法,各模块电路都可以进行单独调试。
1.硬件调试
红外检测部分
电压控制振荡器的自由振荡频率(即无外加控制电压时的振荡频率)与外接定时元件RTCT的关系式为:
f0≈1/1.1RTCT,调节LM567的五六脚的电位器,使得六脚的输出频率为38K.来调节红外对管的发光距离。
2.软件调试
由于AT89C51单片机的控制功能较多,软件系统复杂。
在调试过程中,先用仿真器进行软件仿真,进行逐项的软件调试。
如单摆在线圈磁场作用下的运动的调试,待调试成功后,再进行芯片的烧写工作,这样确保了软件代码的正确性。
3.硬件与软件的联调
硬件与软件各自都通过调试后,再进行硬件与软件的总体联调。
在调试过程中,先利用仿真器对硬件电路进行在线的调试,针对调试过程中出现的一些情况,如在单摆在线圈磁场作用下产生失步现象,在对软件进行相应的修改,最后联调成功。
五.测试与结果分析
1.测试仪器列表:
编号
仪器型号
仪器名称
001
YB1719A
直流电源
002
YB4325
示波器
003
EE1642B1
型函数发生器
004
秒表
005
直尺
2.数据测量
(1)周期T测量的数据如下表:
次数
实际T
测量T
误差
1
6.01
6.03
0.33
2
5.98
0.50
3
5.97
5.99
0.34
4
6.02
0.17
5
0.16
平均值
6.00
0.30
从上述表格,我们可以看出测量的周期都偏大,原因有很多,比如单摆手工艺的问题,线圈驱动的不稳定,等等。
(2)测量中点到A点的摆幅W1和中点到B点的摆幅W2
W1
W2
35
38
37
39
43
44
6
40
46
37.8
42
4.2
从上述表格,我们可以看出W2大于W1,可能是线圈驱动的左右电流的大小有差别,以至于影响摆幅的大小。
系统可以实现以下功能:
1.基本部分:
系统能够通过键盘控制起摆。
(2)使摆锤达到θ范围内进行摆锤运动,限10秒内完成稳定运动。
(3)摆锤到达A、B点的摆幅误差可以控制在±
5˚内。
(4)控制摆锤在摆锤运动稳定时,可显示摆动周期。
2、发挥部分
在摆锤到达A或B点时,可以发出声音提示。
八、结论与展望:
本系统设计了一套良好的机械装置,利用PWM驱动电路驱动线圈的运动,并用红外检测线圈到达两个最高点,利用单片机算出周期。
由于单摆易受干扰,容易出现失步运动,所以需要在软件上加以改进。
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