電磁控制運動裝置設(shè)計報告 2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽J題

ID:378201 · 發(fā)表于 2018-7-23 21:52

2013 年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽，電磁控制運動裝置（J 題），全國一等獎，論文

1 系統(tǒng)方案
本系統(tǒng)主要由控制模塊、驅(qū)動模塊、輸入模塊和顯示模塊四部分組成，下面分別對幾
個模塊進行論證和選擇。
1.1控制模塊
方案一：采用STC89C52單片機作為控制模塊核心元件。STC89C52單片機是一種帶
8K可反復(fù)擦寫 FlashRom的可編程只讀存儲器，該芯片低電壓，高性能 COMOS8 的微處
理器，該芯片兼容 MCS51 指令系統(tǒng)，32 個雙向 I/O 口，256*8bit 內(nèi)部 RAM，時鐘頻率
0~24MHz，2個串行中斷，2個外部中斷，2個定時器。由于STC89C52的存儲只有8K，
運行頻率相對較小，不能滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求，因此不采用此方案。
方案二：采用STM12C5A單片機作為控制模塊核心元件。該單片機兼容MCS51單片
機的指令系統(tǒng)，工作電壓為 3.3~5.5V，時鐘頻率為 35MHz，片上集成 1280 字節(jié) RAM，
通用I/O口40個，內(nèi)部集成 MAX810專用復(fù)位電平，外部高速時鐘，4個16位定時器，
兩個時鐘輸出口，外部7路中段，STM12C5A單片機運行速度較8051快，比STM32F103
單片機慢，價格較 STM32F103 單片機便宜。因為該單片機應(yīng)用于本系統(tǒng)存在內(nèi)存不足，
I/O口引腳不夠的缺點，所以不采用此方案。
方案三：采用 STM32F103 單片機作為控制模塊核心元件。STM32F103 單片機采用
ARM 內(nèi)核，時鐘頻率可達 72MHz，可高速運行，外接高速晶振，外部 100 個 I/O 口都可
以產(chǎn)生中斷，片內(nèi)五個定時器，內(nèi)部集成 ADC，溫度傳感器， 5~3.3V供電電壓，內(nèi)部128K
程序存儲。STM32F103單片機處理速度快，片內(nèi)程序存儲空間大，滿足本系統(tǒng)控制要求。
因此，綜合以上三種方案的比較，選擇方案三完成系統(tǒng)控制模塊的功能。

1.2驅(qū)動模塊
方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電磁鐵的分壓，達到調(diào)壓的目的。但是電阻
網(wǎng)絡(luò)只能用于有級調(diào)壓；數(shù)字電位器的元器件價格相對比較昂貴；一般電磁鐵的電阻很小，
而電流很大，分壓不僅會降低效率，而且很難實現(xiàn)。因此，不采用該方案實現(xiàn)驅(qū)動功能。
方案二：采用繼電器對電磁鐵進行開關(guān)控制，通過開關(guān)的切換對擺桿的速度進行調(diào)整。
該方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢、機械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、
可靠性不高。因此，本系統(tǒng)不采用該方案實現(xiàn)驅(qū)動功能。
方案三：采用 L298N 芯片實現(xiàn)驅(qū)動功能。該芯片具有高電壓大電流特性的全橋驅(qū)動
芯片，它響應(yīng)頻率高，帶有控制使能端，和較強的驅(qū)動能力，一片 L298N 芯片可以分別
控制兩個直流電磁鐵。用該芯片作為電磁鐵的驅(qū)動模塊，具有操作方便，性能穩(wěn)定的特點。
同時，由L298N芯片與單片機結(jié)合，可實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點。
因此，本系統(tǒng)采用方案三實現(xiàn)驅(qū)動功能。

1.3輸入模塊
方案一：采用按鍵輸入。按鍵輸入操作簡單，電路原理簡單，成本較低，控制方便，
但是每一個按鍵占用一個I/O口，浪費資源，按鍵多時，使用不方便。因此，本系統(tǒng)不采
用該方案實現(xiàn)輸入功能。
方案二：采用觸摸屏輸入。觸摸屏可以根據(jù)菜單樣式來設(shè)置按鍵位置，按鍵設(shè)置靈活，
便于操作，節(jié)約單片機I/O口。同時觸摸屏具有輸出界面色彩可調(diào)，視覺效果良好等特點。
綜合考慮本系統(tǒng)采用方案二的觸摸屏作為輸入模塊。
1.4顯示模塊
方案一：使用液晶顯示屏(LCD)顯示。液晶顯示屏具有輕薄短小、低耗電量、無輻射
危險，平面直角顯示、影像穩(wěn)定不閃爍、可視面積大、畫面效果好、分辨率高、抗干擾能
力強等特點。但液晶顯示屏是以點陣的模式顯示各種符號，需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫，
編程工作量較大，控制器的資源占用較多，成本偏高，不易維護。同時，在使用時不能有
靜電干擾，否則易燒壞液晶顯示屏的顯示芯片。因此，本系統(tǒng)不采用該方案實現(xiàn)顯示功能。
方案二：使用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有低能耗、低損耗、低壓、壽命長、對外界環(huán)境
要求低、精度較高、可靠性高、易于維護的特點。而且數(shù)碼管是采用BCD編碼顯示數(shù)字，
程序編譯容易，資源占用較少。但是數(shù)碼管只能顯示數(shù)字，顯示形式單一，視覺效果差。
因此，本系統(tǒng)不采用該方案實現(xiàn)顯示功能。
方案三：使用TFT彩屏顯示。TFT彩屏的特點主要有顯示畫面清晰，畫面效果良好，
無輻射危險，分辨率高，同時可以顯示 16 位真彩畫面，顯示圖片及其他顏色，畫面視覺
良好，可控性及編程簡單，使用方便。
綜合考慮本系統(tǒng)選擇方案三作為顯示模塊。

2 系統(tǒng)理論分析與計算
2.1系統(tǒng)總體分析
方案一：多個電磁鐵引力作用
如圖2.1所示，此系統(tǒng)的設(shè)計方案共用九個電磁鐵，分別進行控制，因此只要相應(yīng)角
度的電磁鐵吸引永久磁鐵，就會得到相應(yīng)的擺角，同時改變各個磁鐵吸引的時間和順序，
就能改變周期。同理，也可以同時設(shè)定角度和周期。
但設(shè)計要求角度的步進角為 5°，采用此方案得需要 17 塊電磁鐵，而適合此機械結(jié)
構(gòu)的電磁鐵并不容易找到。同時，此方案擺角并不會很平滑，如同步進電機，一步一步擺
動，影響觀賞效果。雖然該方案的操作簡單，但相對較難滿足設(shè)計要求，此設(shè)計方案未被采用。

然而電磁鐵所給磁力的范圍并不是很廣，在 15°范圍內(nèi)，所以在擺桿超過 15°時就
需要利用慣性使擺桿達到一定高度。當擺到最高角度時，便會向下擺動，在角度傳感器檢
測達到最低點時，電磁鐵再次給永久磁鐵一個動力，擺桿便會向左擺動，同時也會比上一
次擺動的高度要高，這樣反復(fù)在最低處施加斥力，擺桿就能越擺越高（如圖 2.2 所示），
當斥力最大時，此時所給的動能能夠讓擺桿擺到一個最大高度。

經(jīng)過測試，該方案測得最大擺角可達到55°，滿足設(shè)計的最大45°擺角要求。因此，
采用方案二設(shè)計系統(tǒng)的運動裝置。
2.2角度控制
由受力分析可知，當電磁鐵給永久磁鐵最大斥力時，擺角能夠擺到 55°，當給不同
大小的斥力時，擺角就能擺到不同的角度。在最初以最大斥力讓擺桿首先起振擺動，同時
用角度傳感器（電位器）監(jiān)測擺桿所擺到的角度，當角度傳感器檢測超過所設(shè)定的角度時，
用PWM控制使電壓減小，電磁鐵所給動能也相應(yīng)減小，從而使擺角逐漸減小。當小于指
定角度時，利用PWM控制輸出使斥力增大，動能增大，使擺角增大，最后系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)節(jié)
會輸出一個合適的電壓，使擺角恒定，從而達到角度控制的作用。
2.3周期控制
周期控制主要利用PWM控制技術(shù)來改變斥力大小控制擺桿的擺動時間，由于一個小
磁鐵磁場強度不能滿足設(shè)計需要，因此，用兩個小磁鐵進行輔助。首先利用中間磁鐵給擺
桿逐漸施力，使擺桿向右上擺，當達到中間磁鐵最大磁場范圍時，右邊小磁鐵作用，吸住
擺桿，延時一段時間后釋放擺桿，同時中間磁鐵給擺桿一個小小斥力，使擺桿慢慢下擺；
當達到最低點時，中間磁鐵再次逐漸施加斥力，使擺桿向左上擺，然后左邊小磁鐵作用，
延時一段時間釋放，慢慢達到最低點，完成一個周期的運動。因此，擺動周期可以通過改
變PWM變化的時間和輔助磁鐵吸住擺桿的時間設(shè)定。

2.4角度與周期綜合控制
角度與周期同時控制時，在系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上又加了第四個輔助磁鐵，首先使擺角擺
到指定角度略大一點的角度，此時它的周期大約在0.5s左右，當角度傳感器檢測到一個指
定角度（輔助磁鐵所能受到力的角度）輔助磁鐵四開始產(chǎn)生一個較小的斥力，使擺桿運動
速度慢慢減小，角度傳感器檢測到達到指定角度時，輔助磁鐵四會變成一個吸引力，吸住
擺桿，延時一段時間慢慢釋放，在經(jīng)過最低點時，主磁鐵再次給擺桿一個動能，使擺桿擺
到所設(shè)角度，經(jīng)過右邊小磁鐵稍微改變它的下降速度，再次擺到左指定角度，輔助磁鐵四
吸住，延時一段時間釋放，這樣來實現(xiàn)角度與周期綜合控制的要求。周期的時間主要取決
于輔助磁鐵四吸住擺桿的時間。
3 電路與程序設(shè)計
3.1電路的設(shè)計
3.1.1系統(tǒng)總體框圖
電磁控制運動裝置系統(tǒng)總體框圖如圖3.1所示。

3.1.2系統(tǒng)電路原理圖
電磁控制裝置系統(tǒng)Stm32f103單片機外圍電路、L298N驅(qū)動模塊、液晶屏電路和系統(tǒng)
電源模塊的電路原理圖見附錄1。
3.2程序的設(shè)計
3.2.1程序功能描述與設(shè)計思路
1.  程序功能描述
本系統(tǒng)利用直流電磁鐵對擺桿上的磁鐵產(chǎn)生吸引力和排斥力，實現(xiàn)了對擺桿擺動角度
和擺動周期的綜合控制。擺桿擺動幅度可以在10°至45°內(nèi)預(yù)設(shè)，預(yù)設(shè)步進度數(shù)為5°；
擺桿擺動周期可以在0.5s~2.0s內(nèi)預(yù)設(shè)，步進周期為0.5s。并實現(xiàn)了上述范圍內(nèi)擺幅與周期
綜合控制，平穩(wěn)運行20s后可以用聲、光提示，并可以在5s內(nèi)靜止在平衡點上。

2.  設(shè)計思路
本系統(tǒng)主要由控制模塊、驅(qū)動模塊、輸入模塊和顯示模塊四部分組成。系統(tǒng)主控芯片
部分采用STM32F103單片機，驅(qū)動模塊主要芯片采用L298N芯片，根據(jù)檢測擺桿運動速
度和位置角度傳感器反饋回來的數(shù)據(jù)，從而判斷出當前擺桿的周期和擺角，采用PID算法
控制一組直流電磁鐵，利用電磁鐵對磁鐵產(chǎn)生的排斥力和吸引力來完成預(yù)設(shè)的控制要求。
3.2.2程序流程圖
1.  主程序框圖
主程序框圖的設(shè)計如圖3.2所示。

4.3.2測試分析與結(jié)論
根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：
(1)4個電磁鐵組成的動力系統(tǒng)配合角度傳感器來控制擺桿運動方向和擺動幅度，通過
角度傳感器的反饋值，可以對4個電磁鐵進行良好的控制，但是仍然有誤差，對所加的電
壓不能控制在較好的線性范圍變化
(2)本系統(tǒng)如果找到對周期或者擺幅影響的主要因素，單獨對周期、擺幅進行控制比較
簡單。
(3)綜合控制擺幅和周期，主要影響控制效果的變量往往相互矛盾(如希望周期大要求
中間磁鐵斥力小，兩邊磁鐵吸力大，而希望擺幅大則要求中間斥力大，兩邊吸力小)，往
往要研究新的控制方法才能達到設(shè)計要求，所以編程難度很大。
綜上所述，本設(shè)計器件選擇獨特，硬件結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計相對比較復(fù)雜，基本達到設(shè)計
要求。

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電磁運動控制系統(tǒng)-修改.pdf (1.43 MB, 下載次數(shù): 24)

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