（文章來(lái)源：電氣新科技）

本文采用角度傳感器，運(yùn)算放大器，AD轉(zhuǎn)換器采集平板變化信息，通過(guò)單片機(jī)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)，控制電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)平板轉(zhuǎn)動(dòng)，擺桿角度越大步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度越大，從而控制平板狀態(tài)基本保持水平，實(shí)現(xiàn)自由擺得平板控制。

自由擺的平板系統(tǒng)基本組成原理，根據(jù)自由擺的平板控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，電機(jī)控制平板，當(dāng)擺桿移動(dòng)時(shí)要保持平板的平衡，因此需要采用傳感器獲得擺桿移動(dòng)的角度值，再通過(guò)電機(jī)控制平板旋轉(zhuǎn)相應(yīng)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(tài)信息。當(dāng)擺桿移動(dòng)時(shí)，平板的水平位置會(huì)發(fā)生變化，此信號(hào)通過(guò)調(diào)理電路輸入到AD0809轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)獲得擺桿的變化信息，控制TA8435芯片，使擺桿上的電機(jī)也作相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，及時(shí)調(diào)整平板變化位置，從而使平板基本保持水平的位置。

硬件電路設(shè)計(jì)包括：傳感器與信號(hào)采集電路，單片機(jī)控制電機(jī)電路。傳感器采用日本村田公司的ENV05G陀螺傳感器，通過(guò)檢測(cè)，測(cè)量角度，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體的位置控制和姿態(tài)控制，它具備高可靠性，高精度，快響應(yīng)，低噪音特點(diǎn)。

其輸出到傳感器外圍調(diào)理電路，是一個(gè)由LM324運(yùn)放組成的二階壓控源RC低通濾波器，信號(hào)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(hào)首先經(jīng)R1，R3分壓，分壓比為：56/(33+56)=0.629調(diào)理電路放大倍數(shù)為：0.629*1.589=1，傳感器信號(hào)調(diào)理電路輸出即為角度傳感器能夠輸出的角度范圍值。設(shè)計(jì)中將角度傳感器放在擺桿上，從靜止開始來(lái)回旋轉(zhuǎn)，即可得到擺桿的實(shí)時(shí)角速度值，再通過(guò)軟件處理輸出角度值。

由于陀螺儀傳感器輸出為模擬信號(hào)，處理器單片機(jī)要想使用其提供的信息，必須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)時(shí)得到角速度值。將運(yùn)算放大器Vout輸入給0809的IN0，將電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之對(duì)應(yīng)相等的數(shù)字信號(hào)，輸入給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。

AD0809的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。CLK為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。ADC0809內(nèi)部無(wú)時(shí)鐘電路，本設(shè)計(jì)中用單片機(jī)給ADC0809提供時(shí)鐘信號(hào)，減少硬件電路。將A/D轉(zhuǎn)換輸出OUT口與單片機(jī)P2口相連，單片機(jī)接收的輸入數(shù)字角速度量。

電機(jī)選擇42BYGHW208型步進(jìn)電機(jī)，此電機(jī)是兩相四線制，體型較小，力矩可以滿足要求。步進(jìn)電機(jī)整步工作情況下，距角為1.8°，所以一個(gè)脈沖使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1.8°。單片機(jī)電路，AD換后的數(shù)字信號(hào)交由單片機(jī)處理。由θ傳=θ電機(jī) ，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖頻率控制其轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，即可以基本實(shí)現(xiàn)要求，使平板在擺桿一個(gè)周期內(nèi)轉(zhuǎn)一圈，五個(gè)周期轉(zhuǎn)五圈，也可以保持電機(jī)角度與擺桿角度相等，以此實(shí)現(xiàn)基本要求，使平板保持水平，實(shí)現(xiàn)硬幣不能掉下的任務(wù)。

使平板隨著擺桿的擺動(dòng)而旋轉(zhuǎn)：預(yù)計(jì)擺桿擺動(dòng)一個(gè)周期所需的時(shí)間t，以此作為平板旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間，則電機(jī)的角速度為360/t deg/s，因?yàn)殡姍C(jī)步進(jìn)角為1.8度，故所需脈沖頻率360/(t*1.8)。以此計(jì)算出定時(shí)器的中斷次數(shù)N，即可控制平板隨著擺桿的擺動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，擺桿擺一個(gè)周期，平板旋轉(zhuǎn)一周。

使平板保持水平：開始——傳感器電壓增加——單片機(jī)控制電機(jī)左轉(zhuǎn)，根據(jù)傳感器輸出電壓幅值大小確定定時(shí)器定時(shí)時(shí)間，從而確定頻率，從而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。用手推擺桿至50度，激光筆照射程序：推動(dòng)擺桿至某一固定位置，由三角形角度關(guān)系及正余弦定理確定電機(jī)所需旋轉(zhuǎn)角度，從而確定電機(jī)所需脈沖數(shù)目。由單片機(jī)產(chǎn)生100HZ的定時(shí)中斷，由程序設(shè)置中斷的數(shù)目，從而控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度。
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