1 自由擺的平板系統基本組成原理

根據自由擺的平板控制系統的設計要求，電機控制平板，當擺桿移動時要保持平板的平衡，因此需要采用傳感器獲得擺桿移動的角度值，再通過電機控制平板旋轉相應的角度，從而保持平板的水平位置。其基本組成框圖原理如下：

采用日本村田公司的ENV05G陀螺傳感器，安裝于平板，以獲得平板的位置和姿態信息。

當擺桿移動時，平板的水平位置會發生變化，此信號通過調理電路輸入到AD0809轉換器，單片機獲得擺桿的變化信息，控制TA8435芯片，使擺桿上的電機也作相應的旋轉，及時調整平板變化位置，從而使平板基本保持水平的位置。

2 硬件電路的設計

硬件電路設計包括：傳感器與信號采集電路，單片機控制電機電路。

1 傳感器采用日本村田公司的ENV05G陀螺傳感器，通過檢測，測量角度，實現運動物體的位置控制和姿態控制，它具備高可靠性，高精度，快響應，低噪音特點。

其輸出到傳感器外圍調理電路，是一個由LM324運放組成的二階壓控源RC低通濾波器，信號從同相端輸入，具有較高的輸入阻抗，放大器的增益為：Auf=1+Rf/R1=1+33k/56k=1.589。輸出信號首先經R1，R3分壓，分壓比為：56/(33+56)=0.629調理電路放大倍數為：0.629*1.589=1，傳感器信號調理電路輸出即為角度傳感器能夠輸出的角度范圍值。設計中將角度傳感器放在擺桿上，從靜止開始來回旋轉，即可得到擺桿的實時角速度值，再通過軟件處理輸出角度值。

由于陀螺儀傳感器輸出為模擬信號，處理器單片機要想使用其提供的信息，必須進行A/D轉換，把模擬信號轉變為數字信號，從而實時得到角速度值。將運算放大器Vout輸入給0809的IN0，將電壓模擬信號轉變為與之對應相等的數字信號，輸入給單片機進行數據處理。OE端為高電平時，才可以從三態輸出鎖存器取走轉換完的數據。

AD0809的數據輸出公式為：Vout=Vin*255/5=Vin*51,其中Vin為輸入模擬電壓，Vout為輸出數據。ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。CLK為時鐘輸入信號線。ADC0809內部無時鐘電路，本設計中用單片機給ADC0809提供時鐘信號，減少硬件電路。將A/D轉換輸出OUT口與單片機P2口相連，單片機接收的輸入數字角速度量。

A/D轉換，單片機電路

2 單片機控制步進電機電路的設計

電機選擇42BYGHW208型步進電機，此電機是兩相四線制，體型較小，力矩可以滿足要求。步進電機整步工作情況下，距角為1.8°，所以一個脈沖使電機轉動1.8°。單片機電路，AD換后的數字信號交由單片機處理。由θ傳=θ電機 ，通過控制步進電機輸入脈沖頻率控制其轉動的角度，即可以基本實現要求，使平板在擺桿一個周期內轉一圈，五個周期轉五圈，也可以保持電機角度與擺桿角度相等，以此實現基本要求，使平板保持水平，實現硬幣不能掉下的任務。

自由擺得平板控制軟件設計

1 使平板隨著擺桿的擺動而旋轉：預計擺桿擺動一個周期所需的時間t，以此作為平板旋轉一周的時間，則電機的角速度為360/t deg/s，因為電機步進角為1.8度，故所需脈沖頻率360/(t*1.8)。以此計算出定時器的中斷次數N，即可控制平板隨著擺桿的擺動而旋轉，擺桿擺一個周期，平板旋轉一周。

2 使平板保持水平：開始——傳感器電壓增加——單片機控制電機左轉，根據傳感器輸出電壓幅值大小確定定時器定時時間，從而確定頻率，從而控制步進電機的轉速。

3 用手推擺桿至50度，激光筆照射程序：推動擺桿至某一固定位置，由三角形角度關系及正余弦定理確定電機所需旋轉角度，從而確定電機所需脈沖數目。由單片機產生100HZ的定時中斷，由程序設置中斷的數目，從而控制步進電機轉過的角度。

實際測試結果與分析

1 測試器材

量角器、硬幣、激光筆、卷尺、靶紙（A4打印紙）

2 測試方法

測試方法：將擺桿拉至某一規定位置，觀察平板運動，觀察平板上的硬幣數目，觀察激光燈打在靶紙上的位置，逐漸調整程序，減小誤差。

基本要求測試：先通過簡單的目測大致判斷出自由擺與平臺的轉動一周的周期是否相等。對程序進行初步的調整然后使用秒表分別測出自由擺與平臺轉動一周的時間是否相等。再次對程序進行仔細的調整，使得自由擺轉動一周時平臺也恰巧轉動一周。

結果：初步調整時，對電機的控制不精確使得轉動誤差較大，經過仔細調整平臺與自由擺基本上同步。

接通電源，搖晃自由擺，并觀察角度傳感器讀數是否正確，若正確則接上電機，用手推動擺桿至30到45度，調整平板角度，在平板穩定中心放置一枚１元硬幣，啟動后放開擺桿讓其自由擺動。在擺桿滑動過程中，要求控制平板狀態，使硬幣在5個擺動周期中不從平板上滑落。觀察是否會滑離平板的中心位置。

步進電機反應太慢導致硬幣滑落，經仔細研究擺動原理并更改程序終于使一枚硬幣平穩的放在平臺中央未見滑落。完成了要求二。

接通電源，先檢測角度傳感器是否正常，若正確則接上電機，用手推動擺桿至45到60度，調整平板角度，在平板中心穩定疊放8枚1元硬幣。啟動后放開擺桿讓其自由擺動。在擺桿擺動過程中，要求控制平板狀態使硬幣在擺桿的5個擺動周期中不從平板滑落，觀察是否有硬幣掉落以及是否保持疊放狀態。

由于硬幣增多導致平板負重增加，并且硬幣間容易滑落導致失敗。經過長時間反復思考并修改程序終于能夠基本實現要求三。

結語

使用51單片機結合相應的傳感器，數據采集和電機控制實現自由擺的平板控制，電路實現簡單可靠，傳感器數據采集與處理方法實用，是解決自由擺的平板控制一種方法，取得較好效果。

（編自《電氣技術》，原文標題為“基于自由擺的平板控制系統”，作者為王寧、段卓琳。）