基于AT89S52的简易自由摆平衡控制系统

王关平 牛彩霞 高晓阳 孙 伟

(1.甘肃农业大学工学院，甘肃 兰州 730070;2.甘肃省广播电影电视局无线传输中心，甘肃 兰州 730030)

1 引言

现代检测与控制技术是一门集测量、控制及计算机等于一体的综合技术，广泛应用于工业、农业、交通运输、科研等各个方面。随着现代科技的进步，传统的自动控制系统以及相关的检测和仪表技术发生了很大变化，生产过程的控制也已逐步由常规控制发展为计算机控制，控制方向也由简单的PID控制向先进控制、优化控制方向发展，控制规模也从局部自动化向综合自动化方向迅速发展[1]。

自由摆平衡控制系统由自由摆装置、步进电机、平板以及控制装置等模块组成，该系统既是一种单自由度的典型机构，又是一种集传感器、数字控制、单片机应用及伺服驱动为一体的综合性装置[2]。东南大学朱秀梅等可使摆杆推起至30°处释放后，摆杆至少可以作5个周期以上的自由阻尼摆动，带负载运行时，摆动角度范围为-60°～+60°，运动过程中，平板保持在水平位置的误差≥ ±3°，角度检测的分辨能力为1°[3]。张明等[4]和罗名吉等[5]实现的自由摆装置摆动角度较大，为-80°～+80°，但平板保持在水平位置的误差也＞3°。

控制系统的简单化、低成本化，角度控制误差小及自由摆角的大幅度化是自由摆平衡控制系统研究发展的显著趋势[6-8]。为此，本研究基于AT89S52单片机，采用高精度环形电位器作为摆杆倾角传感器，将自由摆摆杆的角位移实时转化为相应的数据，并结合其他条件确定步进电机的转动方向、速度等，从而通过步进电机驱动电路给四相步进电机提供驱动信号，并通过间歇性平板倾角检测电路，对平板位置进行周期性修正，使自由摆摆动过程中末端平板持续保持在水平状态。

2 系统设计及分析

2.1 系统方案

本研究确定的自由摆平衡控制系统总体功能框图如图1所示，是由控制器、摆杆倾角检测、平台倾角检测、步进电机驱动控制电路及显示等几大部分构成的一个闭环系统。该系统可通过摆杆倾角检测电位器(即高精度环形电位器)获得自由摆偏离平衡位置的角度，通过平板倾角检测电路获得平板偏离水平位置的角度;而后，控制器(即单片机AT89S52)根据这两个数据计算出电机应该发生的转动角度并发出控制信号，控制信号经驱动电路使步进电机转动，从而带动平板运动，尽量维持平板在摆杆摆动过程中的水平状态;执行元件选择步进电机(42BYGHID439)，使用步进电机的原因包括:控制简单，由于可接受数字脉冲输入而变得易于与其他设备接口等;相应的角度、摆杆摆动方向等信息则实时显示在LCD128×64的液晶显示器上。

2.2 摆杆与平板运动关系分析

由图2所示的摆杆与平板运动关系几何图可以证明:摆杆偏离竖直位置的角度θ与平板应该发生的偏离角度相等。因此，必须设置一个摆杆偏离平衡位置的倾角检测传感器，来得到步进电机应该偏转的角度值。

图1 系统总体功能框图

2.3 摆杆倾角的获取分析(见图3所示)

图2 摆杆与平板运动关系

图3 摆杆摆角检测电位器电路

摆杆倾角的获取可以高精度环形电位器代替专用的角度传感器(误差≤0.5%，价格低廉)。由于安装时不一定能使电位器的滑动触点正对电位器的中点处，因此，让控制器记住参考点电U0的数值非常必要。我们定义摆杆处于平衡位置右侧时摆角为正，摆杆处于平衡位置左侧时摆角为负，摆杆处于平衡位置时摆角为0°。

其中，

θ—摆杆偏离平衡位置的角度，该值＜0°为左偏，＞0°为右偏，单位为度(°);

U—摆杆处于某一位置时摆角检测电位器滑动触点上的电压值，单位为伏;

U0—参考点电压，即θ=0°时的U之值，单位为伏;

U2—摆杆右摆至70°时的U之值，单位为伏;

U1—摆杆左摆至-70°时的U之值，单位为伏;

2.4 平板倾角的获取分析(见图4所示)

图4 半环形光栅检测器

平板倾角的获取采用半环形光栅检测器获得。原因如下:①半圆形光栅检测器与此处摆杆的摆动幅度与轨迹正好吻合;②光栅检测器的输出精度较高(应用至此处换算后可达0.01°);③光栅检测器的指针与光栅间的摩擦很小，对系统的影响可以忽略不计。不过，与摆杆倾角的获取相似，系统也必须记住平板处于水平位置时的光栅检测器角度输出值Φ0。要申明的一点是:本研究中此处的半环形光栅检测器主要用于摆杆摆动一周后对平板经过平衡位置时进行水平度矫正，并非形成位置反馈。

3 测试及结论

我们共进行了定点和动态两类测试，其中，以1枚和3枚硬币进行了系统的动态适应性测试，试验结果表明，本研究设计的基于AT89S52的简易自由摆平衡控制系统角度测量准确、控制稳定性较好，适应性较强，平板的水平控制误差可以限定在1.8°以内。但在自由摆摆角大于60度时，平台控制稳定性有有所降低，平台出现颤振，这是今后应该努力突破的方向。

[1]张志君，于海晨，宋彤.现代检测与控制技术[M].北京:化学工业出版社，2007.1-3

[2]http://www.eepw.com.cn/event/action/nuedc2011/[2013/4/20]

[3]朱秀梅.基于Cortex-M3 ARM的自由摆平衡控制系统的研究[D].福州:东南大学，2010.

[4]张明，洪志和，于飞.2011年瑞萨杯2011全国大学生电子设计竞赛论文[R].2011.

[5]罗名吉，桑和西，吴建.2011年瑞萨杯2011全国大学生电子设计竞赛论文[R].2011.

[6]张茹，孙松林.嵌入式系统技术基础[M].北京:北京邮电大学出版社，2006.1-7

[7]吴秀芹，高国伟，李倩芸，等.倾角传感器自动标定系统的研究[J].传感器与微系统，2009，28(4):54-55

[8]李真，张玉兵，韩晶晶，等.基于自由摆的平板控制系统[J].传感器世界，2012，(1):13-16