电磁控制运动装置要点

摘要

本系统以单片机AT89S52为核心，调节直流电磁铁供电电压的大小，改变电磁铁的磁场力的大小，利用电磁控制实现摆杆按指定的摆角和周期摆动。采用S CA100T角度传感器来实现摆杆摆角信号的采集，用AT89S52根据摆角值和周期输出一定占空比的PWM脉冲波，用L298N作为驱动电路，以达到控制摆角和周期的目的。本设计进行了硬件电路搭建和软件编程，给出了系统方案、硬件电路图和软件流程图，并通过软件编程，实现了题目要求的技术指标，并用液晶显示屏实时显示摆杆摆角、摆动周期、设定角度和设定周期。

关键词：摆角周期电磁控制AT89S52

目录

1．方案设计与论证 (2)

1.1 角度采集方案 (2)

1.2 驱动及控制方案 (3)

1.3 系统总体方案 (3)

2．系统硬件电路设计 (4)

2.1 单片机AT89S52 (4)

2.2 L298N简介 (5)

2.3角度测量原理 (5)

2.3.1角度测量原理 (5)

2.3.2角度测量算法 (6)

2.3.3角度测量电路 (7)

2.4直流电磁铁控制模块 (7)

2.4.1控制算法............................................................... 错误!未定义书签。

2.4.2控制电路 (7)

2.5按键显示 (7)

2.6声光提示 (8)

3．系统软件设计 (9)

3.1主程序流程图 (9)

3.2 角度测量子程序流程图 (9)

3.3角度控制子程序流程图 (10)

4．系统测试 (10)

4.1 测试仪器与方法 (10)

4.2 角度测量 (11)

4.3 测试结果分析 (11)

5．结论 (11)

参考文献 (13)

附录1 硬件电路图 (14)

附录2 主要元器件清单 (15)

附录3 程序清单 (16)

1．方案设计与论证

本题目是设计并制作一个摆杆控制系统，通过电磁控制装置，调节摆杆摆角的大小，如图1.1所示。

图1.1 摆杆控制系统示意图

根据题目的要求，本系统所设计的核心问题主要有：

1、对直流电磁铁电压大小进行快速而准确的控制，以保证摆杆的摆角和周期在控制范围内。

2、为保证系统的精度要求，必须要对摆杆摆动角度进行实时检测。

3、为保证摆杆在尽可能短的时间内达到预定角度还需要相应按键及显示电路。

我们分以下几个部分进行方案设计和比较论证。

1.1 转角采集方案

方案一：采用MMA7455L芯片。这是一种XYZ三轴微机电加速度计，可测量 X、Y、Z 三个方向上在工作时的参数，输出为8位或10位的数字量。可直接与单片机连接。硬件电路简单，但成本较高，软件程序调试较困难。

方案二：采用SCA100T-D02。SCA100T-D02测量范围为-90°～+90°，具有模拟和数字两路输出。模拟量输出电压为0～5V，不需信号调理电路就可送入

A/D，拟采用模拟量输出，后接AD7705。此方案硬件电路简单，软件调试简单，测量数据稳定。

经过比较，拟选择方案二。

1.2 驱动及控制方案

方案一：采用线性放大驱动方式。采用L298N作为驱动芯片。单片机输出数字量，经D/A后转换为连续变化的电压值，控制电磁铁电磁力的大小，来改变摆角的大小，此方式波动小，线性好，对邻近电路干扰小。但存在效率低和散热等问题。硬件需要D/A转换器，电路复杂，成本高。

方案二：采用PWM调速。采用L298N作为驱动芯片。PWM调速是使加在直流电磁铁两端的电压为方波形式,通过改变方波占空比实现对直流电磁铁电压大小的调节。PWM由单片机输出。L298N芯片内部开关为电子开关，速度很快，稳定性也极强。此方案电路简单，使用比较方便。

基于上述理论分析和实际情况，拟定选择方案二。

1.3 系统总体方案

图1.2 摆杆控制系统总体方案框图

根据上述分析，设计出系统总体方案，由SCA100T-D02采集转角信息后送入

AD7705转换，输出的8位数字量送入AT89C52中，单片机经分析处理后输出一定占空比的PWM，经L298N功率驱动放大后控制直流电磁铁电压的大小。同时可用按键设定摆杆转角并显示，摆杆控制系统总体方案框图如图1.2所示。2．系统硬件电路设计

硬件电路设计图见附录1。

2.1 单片机AT89S52

本系统采用AT89S52作为核心部件。AT89S52内部有8KB的存储单元和256个RAM存储单元，用于本系统的角度采集控制足够使用。51单片机的外围控制电路如图2.1所示。

J_CPU6

图2.1 单片机最小系统

2.2 L298N 简介

L298N 是 SGS 公司的产品，比较常见的是 15 脚 Multiwatt 封装的

L298N ，内部同样包含 4 通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N 芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达 50V ，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的 IO 口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。

L298N 可接受标准 TTL 逻辑电平信号 VSS ，VSS 可接 4．5～7 V 电压。4 脚 VS 接电源电压，VS 电压范围 VIH 为＋2．5～46 V 。输出电流可达2 A ，可驱动电感性负载。1 脚和 15 脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298 可驱动 2 个电动机，OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4 之间可分别接电动机。

2.3角度测量

角度测量使用了VTI 公司生产的硅基加速度传感器SCA100T-D02,其主要性能指标:1) 双轴向倾角测量:SCA100T 测量X-Y 方向；2) 测量范围1.7g ；3) 测量灵敏度1.2V/g ；4)+5V 单电源供电,两个比例电压输出(模拟),内置11位AD 转换器；5)兼容SPI 的数字输出；6)通过SPI 接口,可以访问内部温度传感器。SCA100T 为12脚表贴封装,设计时要水平安装芯片,并注意芯片上面箭头所指方向为正方向。 2.3.1角度测量原理

角度测量采用倾角传感器SCA100T-D02的传感轴安装为与摆杆在同一平面内，采用双轴测量值合成来计算倾斜角，在小倾角测量时，具有高分辨率和高精度的特点。该传感器的每个轴可以检测0～90°度之间的倾角，所对应的输出电压为0～5Ｖ。

由于加速度传感器在静止放置时受到重力作用，因此会有1g 的重力加速度。利用这个性质，通过测量重力加速度在加速度传感器的X 轴和Y 轴上的分量，可以计算出其在垂直平面上的倾斜角度。如图2.2所示，有

αsin g Ax =， αcos g Ay = ，则Ay Ax /tan =α

即)arctan(

Ay

Ax

=α