一种小球滚动控制系统设计

一种小球滚动控制系统设计

技术领域

本发明专利涉及机电设计技术领域，尤其涉及一种小球滚动控制系统设计。

背景技术

小球滚动控制系统由ARM 控制系统实现所要求的功能。将光电传感器放置在导轨 上，同时光电传感器与ARM 系统连接，光电传感器能检测到的小球位置并将其反馈给ARM 系统，同时在液晶显示屏显示出小球位置。然后通过ARM 系统来控制步进电机正反转、加速 减速等功能。另外电子指南针模块也可与ARM 系统共同实现导轨偏转自动恢复水平的功 能。

发明专利内容

本发明专利涉及一种小球滚动控制系统设计，本发明采用2块MSP430单片机最小系统 板作为控制核心，一块作为控制超声波距离传感器测试小球滚动距离，另一块控制步进电 机以控制小球滚动方向以及角度传感器，本发明采用12864液晶显示屏，精确显示小球当前 距离与工作模式。

本发明制作完善，应变能力强，响应速度快。

附图说明

图1：系统框图。

图2：电源降压总图。

图3：降压原理图。

图4：步进外形/电气原理图。

图5：L298N驱动模块电气原理图。

图6：L298N驱动模块实物接线图。

图7：单片机与驱动器接线图。

图8：STK672-040驱动电路图。

图9：主函数流程图。

图10：显示流程图。

图11：定时中断流程图。

图12：角度调整流程图。

具体实施方式

为了使本发明专利的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本发明专利进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释 本发明专利，并不用于限定本发明专利。

本发明专利涉及一种小球滚动控制系统设计，本发明采用2块MSP430单片机最小 系统板作为控制核心，一块作为控制超声波距离传感器测试小球滚动距离，另一块控制步 进电机以控制小球滚动方向以及角度传感器，本发明采用12864液晶显示屏，精确显示小球 当前距离与工作模式。

进一步的，本发明要求在门形支架的一个立柱上用转轴固定一根U型导轨，导轨的 另一端可由固定在顶梁上的电机控制其上下运动，使小球在导轨上按要求灵活滚动或定 位。导轨以转轴处为原点，以厘米（cm）为单位标注位置。

进一步的，本发明利用步进电机控制U型导轨的角度，以达到改变U型导轨的角度 控制小球运动与静止。

进一步的，本发明采用Ti公司的MSP430作为主控芯片。MSP430系列单片机是美国 德州仪器1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器。称之为混合信号处 理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个 芯片上，以提供“单片”解决方案。MSP430系列由于具有 Flash存储器，在系统设计、开发调 试及实际应用上都表现出较明显的优点。这是TI公司推出具有Flash型存储器及 JTAG边界 扫描技术的廉价开发工具 。

进一步的，本发明采用家用电源。电源的效率高，适应的范围大，带负载承受能力 强，通过整流降压可方便地转换为12V/5V直流电源。

进一步的，本发明的电机动力模块选择步进电机作为动力。步进电机是将电脉冲 信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停 止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收 到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它 的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达 到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达 到调速的目的。

进一步的，本发明采用超声波传感器测距。超声波传感器是利用超声波的特性研 制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下 发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定 向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可 穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动 物体能产生多普勒效应。

进一步的，本发明的蜂鸣器采用直流电机供电，其能发出单调的或者某个固定频 率的声音，如嘀嘀嘀，嘟嘟嘟等。

进一步的，本发明的12864模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成 全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示。低电 压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示 模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点 阵的图形液晶模块。

进一步的，本发明采用单片机MSP430模块为核心控制单元来进行外部电路的控 制。从而实现各种功能，达到实验要求。在设计中本发明采用了模拟控制及局部反馈控制等 控制方法，利用单片机编程来控制步进电机的转速，从而实现对电机的控制。步进电机的作 用力来带转轴及角度传感器的，角度传感器给单片机一个反馈信号，再由单片机控制电机 的转速，并通过显示屏来实现角度距离的显示，通过光电传感器来实现报警等。用超声波和 角度传感器来检测小球的运动，然后把数据传给单片机，以便送数据给显示器和电机。其整 体框图如图１所示。

进一步，图２是电源降压总图，图３是电源降压的原理图，本发明通过用LM7805三极 管来降压，将整流降压后的12V电压变为供单片机工作的5V电压。

进一步的，步距角是指每一排转子转过的一个空间角度。步进角和步进电机的空 间相数、通电方式及电动机转子齿数的关系如下：a=360°／KmZ公式（１），公式（１）中a是步进 电动机的步距角；m是电动机的相数；Z是转子齿数；K是系数，相邻两次通电相数相同（单拍 或双拍工作方式）K=1；相邻凉席通电相数不同（单双拍混合），K=2。同一相数的步进电机可 有两种步距角，通常为1.2\0.6、1.5\0.75、1.8\0.9、3\1.5度等。步距误差是指步进电机运 行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。连续走若干步时，上述步距误差的 累计值称为步距的累积误差。步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。

进一步的，步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接 收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以 固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位 的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目 的。STK672-040步进电机为例，采用恒流斩波驱动方式和1-2相励磁(两相八拍运行)，可正 反向旋转；按A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A顺序通电,额定电流(单相)：0.6A/ DC，额定电压: 7.2V/DC。外形/电气原理如图４所示。

进一步的，STK672-040小电流（0.6A）步进电机驱动采用L298N驱动模块驱动。 L298N驱动模块，本发明采用ST公司的L298N芯片，可以直接驱动两路3-30V直流电机，并提 供了5V输出接口，可以给5V单片机电路系统供电,支持3.3VMCU控制，可以方便的控制直流 电机速度和方向，也可以控制2相步进电机。L298N驱动模块电气原理如图５所示，实物接线 如图６所示。

进一步的，STK672-040步进电机分别采用ZD-6560-V4/3高性能步进驱动器，该驱 动器主要有整步、二细分、八细分、十六细分可调，电流可调，过热自动保护，自动半流电流 衰减可调，支持脱机、使能、锁定等功能。其与单片机的接线方法简单，如图７所示，驱动电路 设计如图８所示。

进一步的，本发明先建立一个主要的流程，然后按照这个流程的思维去控制小球 的运动，如果不是按照程序去实现的就返回重新执行，知道执行指令位置。如图９所示。在建 立一个小分支的流程图，一步一步的实现功能。如图10所示。当多个中断源同时申请中断 时，为了使CPU能过按照用户的规定先处理最紧急的，然后在处理其他事件。根据角度传感 器检测传回来的值来判断是否要从新扫描键盘。如图11所示, 根据角度传感器检测传回来 的值来判断是否要从新扫描键盘。如图12所示。

进一步的，PID计算方法如下：

double PIDCalc( PID *pp, double NextPoint )

{

double dError,

Error;

Error = pp->SetPoint - NextPoint; // 偏差

pp->SumError += Error; // 积分

dError = pp->LastError - pp->PrevError; // 当前微分

pp->PrevError = pp->LastError;

pp->LastError = Error;

return (pp->Proportion * Error // 比例项

+ pp->Integral * pp->SumError // 积分项

+ pp->Derivative * dError // 微分项

);

}。

以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本 发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利 的保护范围之内。