基于C8051F040單片機(jī)的承載平臺平衡調(diào)整系統(tǒng)

引言

隨著現(xiàn)代科技不斷發(fā)展，人們對于各種基座平臺水平精度的要求也越來越高，而現(xiàn)有的一些光學(xué)儀器已不能滿足對一些工程、建筑、實(shí)驗(yàn)室和軍艦基座平臺進(jìn)行水平度檢測，針對這一現(xiàn)實(shí)問題，采用新華龍公司的C8051F040作為主控制器，設(shè)計(jì)出一個具有承重、傾角調(diào)節(jié)及液晶顯示、語音播報(bào)等功能的高精度電子承載平臺平衡調(diào)整系統(tǒng)。電子承載平臺是一種承重、測量的設(shè)備，其工作原理是通過傾角傳感器將作用在承載平臺上的傾角大小轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，以數(shù)字量的形式在液晶顯示屏上顯示出來，并且系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自動調(diào)平。

系統(tǒng)采用C8051F040作為控制核心，利用高精密傾角傳感器將傾角大小經(jīng)液晶屏顯示、語音播報(bào)輸出，并能通過外部設(shè)定自動調(diào)整平臺的水平和傾斜。如何選擇承載平臺的支撐腿，穩(wěn)定速度和提高精度是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。系統(tǒng)選用直流電機(jī)驅(qū)動升降桿控制平臺傾角，速度調(diào)整靈活，承載力大，精度高。系統(tǒng)具有的功能包括：可承載1000克重的物品，平臺可沿任意方向在30°內(nèi)傾斜，能在8秒內(nèi)調(diào)平，調(diào)平精度＜2°，且具有人機(jī)交互顯示、語音播報(bào)等功能，是一個多功能的高精度平衡調(diào)整系統(tǒng)。

方案設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，承載平臺平衡調(diào)整系統(tǒng)可以劃分為穩(wěn)壓電源，單片機(jī)(MPU)，升降推桿，LCD顯示模塊，鍵盤控制模塊和語音播報(bào)模塊。系統(tǒng)模塊基本框圖如圖1所示。

圖1 承載平臺平衡調(diào)整系統(tǒng)模塊基本框圖

升降推桿驅(qū)動方式的選擇

升降推桿是一個重要的單元模塊。系統(tǒng)是通過調(diào)整位于矩形平臺三個邊角升降推桿的位置，來實(shí)現(xiàn)平臺平面傾角的變化，升降推桿驅(qū)動方式的好壞直接影響最終的結(jié)果，有如下兩種可選驅(qū)動方案。

方案一：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動螺旋推桿

用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)物體的精確定位和方向控制。步進(jìn)電機(jī)是一種脈沖控制電機(jī)，它是一種能將脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可廣泛用于無需反饋控制但要求有精確位置的場合。該驅(qū)動方式是以步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)螺桿的方式來實(shí)現(xiàn)推桿的伸縮，達(dá)到改變平臺各點(diǎn)位置的目的。步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確步長，但輸出力矩低，速度慢，體積大，較笨重。

在實(shí)際操作中，螺桿標(biāo)準(zhǔn)件的螺紋間距小，要達(dá)到8秒內(nèi)迅速升降定位，需要電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到10轉(zhuǎn)/s，在實(shí)際測試中，步進(jìn)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速是3轉(zhuǎn)/s，無法達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)8秒內(nèi)調(diào)整傾角的要求。

方案二：直流電機(jī)驅(qū)動升降推桿（見圖2）

圖2 直流電機(jī)驅(qū)動升降推桿結(jié)構(gòu)簡圖

采用帶旋轉(zhuǎn)編碼器控制直流電機(jī)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，精度可以得到保證。但其驅(qū)動電路復(fù)雜，在短時間內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。而直流減速電機(jī)具有轉(zhuǎn)速快，體積較小，重量輕，可直接使用單片機(jī)輸出PWM控制轉(zhuǎn)速和可控性好的特點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算，選擇減速電機(jī)以求較大力矩，即可滿足系統(tǒng)在時間指標(biāo)上的要求。

方案一可以達(dá)到高精度控制，但轉(zhuǎn)速無法達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，方案二可達(dá)到系統(tǒng)速度和精度設(shè)計(jì)要求，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理，故采用方案二。

電機(jī)驅(qū)動模塊的選擇

方案一：采用電機(jī)細(xì)分驅(qū)動。電機(jī)細(xì)分驅(qū)動芯片TA8435可以用兩路PWM信號控制兩個步進(jìn)電機(jī)，能夠較多地節(jié)省單片機(jī)資源，但致命的缺點(diǎn)是當(dāng)單片機(jī)速度變化較大時，電機(jī)很容易失控。

方案二：采用專用芯片L298N。響應(yīng)頻率高，一片可控制兩個直流電機(jī)，操作方便，穩(wěn)定性好，外圍電路簡單，焊接容易。

因此，電機(jī)驅(qū)動模塊采用方案二。

電源模塊的選擇

方案一：采用干電池作為系統(tǒng)的電源，由于系統(tǒng)耗電量較大，使用干電池需經(jīng)常換電池，不符合節(jié)約型設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)所需采用機(jī)械部件多，系統(tǒng)平臺傾斜角大，電池總量大，使用干電池存有較大安全隱患。

方案二：采用24V可充電蓄電池電源，不僅功率可以滿足系統(tǒng)需求，不需要更換電池，而且比較輕便，使用更加安全可靠。

基于以上分析，電源模塊采用方案二。

顯示模塊和鍵盤模塊的選擇

本設(shè)計(jì)顯示模塊使用液晶顯示屏顯示時間和路程。12864M漢字LCD液晶顯示器的優(yōu)點(diǎn)：微功耗、尺寸小、超薄輕巧、顯示信息量大、字跡清晰、美觀、視覺舒適；可以用中文LCD液晶進(jìn)行菜單顯示，使整個控制系統(tǒng)更加人性化。而鍵盤模塊則選用4×4矩陣鍵盤。

傾角傳感器的選擇

本設(shè)計(jì)傾角傳感器采用SFT245AL雙軸傾角傳感器。該傳感器將物理信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)放大電路放大并濾波后，通過A/D轉(zhuǎn)換將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳送給MPU，校準(zhǔn)處理后轉(zhuǎn)化為傾角測試結(jié)果，測量范圍±45°，它具有零點(diǎn)設(shè)定，輸出頻率可調(diào)和波特率可選等功能。

語音芯片的選擇

該系統(tǒng)在語音播報(bào)上不需要長時間的語音播放，為了減小成本，本設(shè)計(jì)語音芯片選用ISD1420，其錄音時間為20秒，價(jià)錢便宜，技術(shù)成熟。

最終方案

經(jīng)過上述的分析和論證，本設(shè)計(jì)決定系統(tǒng)各模塊采用的最終方案如下：

（1）主控單元：C8051F040單片機(jī)；

（2）穩(wěn)壓電源：24V蓄電池；

（3）傳感器單元：SFT245AL雙軸傾角傳感器；

（4）顯示模塊：LCD12864M；

（5）鍵盤模塊：4×4矩陣鍵盤；

（6）語音模塊：ISD1420芯片。

系統(tǒng)詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 承載平臺平衡調(diào)整系統(tǒng)詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要單元電路設(shè)計(jì)

電源模塊和繼電器電路的設(shè)計(jì)

電源模塊使用L2576HV穩(wěn)壓電路，具體電路圖如圖4。

圖4 穩(wěn)壓電源電路圖

繼電器控制直流電機(jī)的正反接，實(shí)現(xiàn)滑輪的上下滑動。每個繼電器都有一個工作指示燈。當(dāng)繼電器通電時燈亮，斷電時燈滅。燈亮?xí)r電機(jī)接口接電源正極，燈滅時接地。每次轉(zhuǎn)換時都要先接地。繼電器電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 繼電器電路圖

電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動模塊采用L298N電路，具體電路如圖6所示。

圖6 電機(jī)驅(qū)動電路圖