| 标题 | 电磁控制运动装置方案选择 |
| 范文 | 摘要：2013年全国大学生电子设计竞赛高职组J题，要求设计一个电磁控制运动装置通过控制电磁铁，使悬挂电磁铁的摆杆按照一定摆角运动，并对摆角、相应时间提出了要求。讨论了不同的方案，最终以单片机为控制核心，辅以步进电机驱动电路、液晶屏显示电路、按键控制电路、声光报警电路等模块实现了系统的基本功能要求。 关键词：电磁控制装置 单片机 步进电机 1 控制要求 设计并制作一套电磁控制运动装置，该装置由电磁控制装置、摆杆等部分构成。 1.1 基本要求 ①按下启动按钮，由静止点开始，控制摆杆摆动。②由静止点开始，控制摆杆在指定的摆角（10°～45°范围内）连续摆动，摆动摆角绝对误差≤5°，响应时间≤15s。③由静止点开始，按指定周期（0.5s～2s 范围内）控制摆杆连续摆动，摆动周期绝对误差值≤0.2s，响应时间≤15s。④在摆杆连续摆动的情况下，按下停止按钮，控制摆杆平稳地停在静止点上，停止时间≤10s。 1.2 发挥部分 ①摆杆摆角幅度能在10°～45°范围内预置，预置步进值为5°，摆角幅度绝对误差值≤3°，响应时间≤10s。②摆杆的周期能在0.5s～2s范围内预置，预置步进值0.5s，周期绝对误差值≤0.1s，响应时间≤10s。③摆杆摆角幅度和周期在上述范围内可同时预置，由静止点开始摆动，摆角幅度值和周期相对误差要求均和发挥部分中的①、②相同。当摆杆稳定运行20秒后发出声、光提示，并在5s内平稳停在静止点上。 2 系统方案选择与论证 根据要求，设计的电磁控制运动装置系统主要包括主处理器、液晶显示模块、按键模块、步进电机驱动模块、编码器角度测量模块、声光报警模块等几部分。 2.1 系统总体方案 电磁控制装置控制磁铁左右摆动，带动运动摆杆摆动，连动摆角指针，指示出摆动的角度。通过对系统功能要求的分析，设想了实现电磁控制装置功能的两套方案。①风扇驱动方案。通过两个相对的风机组成风道，中间放置一块挡风板，挡风板连接电磁铁，通过对两个风机开启、关闭的时间控制改变挡风板位置，连动电磁铁发生位移，同时电磁铁通过电磁场带动摆杆上的磁铁形成摆动。两个相对的风机可以方便简捷的控制挡风板左右位移，从而可以轻易的带动上方磁铁及摆杆，完成题目基本要求；但精度较低，对于题目发挥部分较难操控。②电机驱动方案。电机以特定的连接方式带动电磁铁发生位移，从而通过磁场控制摆杆下方磁铁运动以及摆杆的连动。电机进退位移准确，精度高，稳定性好，便于控制。方案比较：通过实用性、可控性、可靠性、稳定性、精度等方面的对比，选择方案二。 2.2 电机方案机械部分选择 电磁控制装置驱动方案确定使用电机后，需考虑电机驱动模型的构造。通过对目的及功能要求的分析提出三个较可行方案。①齿条轨道。电机上安装电磁铁，两侧安装齿轮，齿轮下方与齿条咬合形成轨道，通过控制电机正反转，电磁铁在轨道上呈“折返跑”运动，通过磁场带动摆杆下方磁铁运动。齿条可塑性高，便于构筑轨道，电机的齿轮与齿条咬合便于控制距离。②履带轨道。用履带模拟轨道，履带两端分别有两个电机连动，履带上放置电磁铁。左右两端电机分别控制履带正反转，完成电磁铁的位移，进而通过磁场控制摆杆下方磁铁运动。两个电机分别控制正反转便于操控，同时考虑电机性能，两个电机提高了安全性，防止电机因不断高速变向运转而损坏。③双摆模型。制作一个摆轴由电机控制的摆（L2），摆杆下端放置电磁铁，同时摆L2与角度测试摆（L1）保持同心旋转，摆L2半径比摆L1长。两摆通过特定位置放置，达到L2电磁铁与被测摆L1的磁铁相邻平行。通过电机控制摆L2左右摆动，依靠磁场带动L1磁铁及L1摆杆做同样摆动。用电机直接控制摆动角度便于操作，精度较高，稳定性高。方案比较：通过实用性、可控性、可靠性、稳定性、精度等方面的对比，方案一中，齿条对于构筑轨道强度、韧性不足，直接导致精度和稳定性下降；方案二中，履带相对较稳定，但两个电机控制履带正反转，转速和精度很难同时达到。最终选择方案三。 2.3 电机方案电机选择 电机机械部分确定后，需根据机械构造对电机的性能需求选择合适的电机。由于本实验要实现对角度的较准确的定位。采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现直接对摆杆角度控制的精确定位。步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低。 2.4 控制器方案选择 选择宏晶科技的STC12C5A60S2单片机，该芯片是单时钟（机器周期1T）单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S，即25万次/秒），针对电机控制，强干扰场合。STC12C5A60S2单片机具有两路PWM，可以更好的支撑硬件电路，有效的减少编程量，且STC单片机运行速度较快，易于实现电机的控制，所以系统控制选择STC12C5A60S2单片机。 3总结 电磁控制装置主要包括步进电机和电磁铁，由步进电机带动电磁铁摆动，形成摆动的磁场，从而带动运动摆杆在指定的角度范围内摆动，指针指示出摆动的角度，同时由编码器构成的闭环系统可实时检测摆杆摆动的角度，并可通过液晶显示屏显示。 参考文献： [1]张有志.全国大学生电子设计竞赛培训教程[M].清华大学出版社，2013. [2]宁武等.新版大学生电子设计竞赛基本技能指导[M].电子工业出版社，2013. [3]郭天祥.51单片机C语言教程[M].电子工业出版社，2009. 作者简介：戴青云（1976-），男，讲师，硕士，石家庄职业技术学院电气与电子工程系，主要研究方向：计算机控制。 |
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