摆锤运动控制系统
论文摘要：
本系统应用嵌入式技术进行设计，采用ARM芯片LPC2138来控制摆锤的运动状态，实现摆锤稳定运动、变频运动、摆锤的运动频率测试、恢复人为干扰等功能。摆锤运动控制采用PWM输出方波经4N25触发使电源导通供电，电流经D882扩流后给螺线管产生的间歇性磁力使摆锤摆动。通过霍尔传感器来检测摆锤连续到达运动最低点的时间间隔测定周期，最后显示周期及其它参数，系统采用摆锤经过四个放在不同的位臵的霍尔传感器的时间间隔来判断是否处于稳定状态，并做出相应的处理。
关键词：霍尔传感器 嵌入式 摆锤运动 脉宽调制技术
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目录
摆锤运动控制系统（B）……………………….………………………1 1 系统方案的选择和论证……………………………………………. 3 1.1设计要求………………………………………….…………….…3 1.2系统基本方案………………………………………….………….3 1.2.1模块方案选择和论证…………………………………………….3 1.2.2系统各个模块的最终方案………………………………………5 2 系统的硬件设计和实现………………………………………………5 2.1系统硬件的基本组成部分………………………………………...5 2.2摆动系统的设计…………………………………………………….6 2.3主要单元电路的设计……………………………………………….8 2.3.1电子电路部分的单元电路……………………………………….8 2.4智能控制部分……………………………………………………..10 2.4.1智能控制方框图…………………………………………………11 2.4.2智能控制部分的硬件设计与实现………………………………11 3 系统的软件设计和实现……………………………………………..11 3.2频率测试子程序………………………………………………...11 3.3控制磁力子程序………………………………………………….12 3.4定时器捕获中断服务子程序…………………………………….13 4 系统测试..…………………………………………………………...13 4.1测试仪器……….………………………………………………..14 4.2指标测试………………….……………………………………..14 4.2.1电路性能测试…………………………………………………..14 4.2.2系统参数的测试………………………………………………..14 4.3小结……………………………………….……………………..15 5 总结…………………………………………….……………………15 参考文献……………………………..…………………………………16 附录……………………………………………………………………..16 附录１ 主要元气件清单…….……………………………………..16 附录2 系统使用说明……………..………………………………..16
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1 系统方案的选择和论证 1.1设计要求
根据题意，简述此次的设计要求如下：
（1）基本部分：设计一软绳锤，在不摆触摆锤的情况下，按键使摆锤10秒内稳定运动，控制摆锤的振幅误差在5度内，同时显示周期。
（2）发挥部分：摆锤等在人为干扰绳子后8秒内恢复稳定，到达A点或B点是发出声音提示，按键可改动运动频率，同时显示周期。 1.2系统基本方案
摆锤驱动模块 电源模块 控制模块 显示模块
抗干扰模块
图1.1 摆锤运动 频率测试模块 1.2.1模块方案选择和论证
（1） 电源模块
由于要驱动螺线管的电流比较大，因此对电源的要求较高。
方案一：直接采用宁波中策电子有限公司生产的多路直流稳压电源（型号为DF1731SC），具有双路输出，最大电流可调到5A，并内臵电流限制保护电路，使用非常安全。
方案二：采用7812和达林顿管TIP217扩流供电。7812可通过的最大电流可达到1.5A，经达林顿管扩流后可达到2A以上，但是稳压管发热相当大，安全度不高，如果长时间保持大电流极易损坏元气件。 （2）控制模块
根据题目的要求，控制器主要用于摆锤运动控制、频率的检测和计算、显示数据的控制。控制器的性能主要是算法，同时适当考虑控制器的结构。
方案一：采用CPLD（复杂可编程逻辑电路）或FPGA（现场可编程门列阵）作为系统的控制器。CPLD具有丰富的可编程I/O引脚，、使用方便灵活，不但可实现常规的逻辑器件功能，还可实现复杂的时序逻辑功能，适合完成各种算法和组合逻辑，但是功耗要比较大 ,且集成度越高越明显。FPGA可作为实现各种复
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杂的逻辑功能，特别用于大电流、大电压场合的控制，规模大，密度高，它将所有的器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。但由于设计的是摆锤运动控制，FPGA的高速处理功能不能得到充分的体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时芯片的引脚多使实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计的实际焊接的工作，降低了PCB板的灵活性。
方案二：采用普通单片机控制，如8位的51单片机AT89C51；16位的凌阳单片机SPCE061A；32位单片机。AT89C51单片机简单易用、成本低廉，但是资源较少，所实现的功能较少。SPCE061A 有丰富的I/O口，有中断、定时器资源，而且内臵A/D转换器和D/A转换器，不但有触键唤醒，音频处理功能，而且还有16?16位的乘法运算和内积运算的DSP功能，不仅为它进行复杂的语音数字信号的压缩编码与解码提供了便利，还可以做数字滤波器(Digital Filter) 。但是元件管脚多，体积大，而且题目要求系统的发出声音提示是短暂的、瞬时的，SPCE061A的语音处理功能无法得到充分的体现。
方案三：采用嵌入式ARM的32位单片机LPC2138。LPC2138功能庞大，不但具有一般单片机的所有功能，还内臵了PWM，具有很强的串行通信功能，引脚非常丰富，如GPIO、UART、I2C，可以在系统编程ISP，功耗低、稳定性好、易于功能扩展。选择ARM不但因为它的功能庞大，而且在本次设计中刚好使用了PWM来控制通电螺线管的电磁感应，从而控制摆锤的运动，此外从编程的角度出发，字长的位数越多，实现的算法比较容易，32位的RAM最适合不过了。
（3）频率测试模块
根据题目的要求，系统要测试出摆锤的运动频率。摆锤在A点和B点之间来回运动，因此我们通过测试摆锤连续两次到达运动的最低点的时间间隔（为摆锤运动周期的一半），摆锤运动到最低点时可通过传感器检测，基于摆锤的特点，传感器的选择主要有以下几种方案。
方案一：采用反射式红外光电传感器，把发射管和接收管固定在摆锤下方的中心点处，当摆锤经过传感器时，红外传感器就相当于一个闭合开关；当摆锤离开传感器时，红外传感器便相当于一个打开的开关。红外传感器具有很好的开关特性，但是在使用时要尽量靠近摆锤以提高灵敏度，这样大大降低了摆锤运动的灵活性。
方案二：采用霍尔传感器，把霍尔传感器贴在中心轴的最低点或固定在摆锤下方的中心点处，当摆锤经过传感器时，霍尔传感器通过摆锤的磁性产生电动势，输出高电平；当摆锤离开时，霍尔效应消失，输出为低电平。霍尔传感器的体积小，使用非常方便。 （4）摆锤驱动模块
根据题目的要求，在不接触摆锤的情况下要使它运动，可以通过通电螺线管的磁力使摆锤来回运动。根据物理学可知：螺线管产生的磁场的强弱与电流息息相关，而一般的供电设备输出不是很大，因此，我们使用三极管D882进行扩流。 在此模块中通电螺线管的个数是关键。
方案一：采用两个螺线管对称性放臵和直流供电，两个螺线管受PWM的控制间隔地导通和关断，摆锤受两边间隔性的引力或斥力而运动。直流电表现为恒值，PWM比较容易控制，硬件实现也比较简单。
方案二：采用一个螺线管的交流供电，交流电使螺线管的磁场方向周期性的
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改变，我们可以通过螺线管的引力和斥力去控制摆锤运动方向，这种方法效果比较理想，变频运动也比较容易实现，但是硬件电路比较复杂，而且电流不为恒值，磁力的大小也难以确定，这样大大增加了调试的复杂性。
（5）显示模块
显示模块主要用于摆锤设臵频率和摆锤实际运动周期的显示
方案一：采用七段LED数码管显示，LED能显示数字和一些基本的字母，简单易用，把它和74LS164（串入并出移位寄存器）相使用，大大减少了控制器的I/O口，但是LED显示字母有限，且效果较差。
方案二：采用字符型液晶模块 JM1602C，JM1602C能显示基本的ASCⅡ码字符，采用CMOS工艺低功耗，内臵KS0066驱动器，数据可直接传送，用并行输入输出形式，数据传送快，低延迟显示体现多样性，但是JM1602C的引脚电平为+5V，RAM的引脚电平为+3.3V，这样就要解决电压不匹配问题，灵活性降低。
方案三：采用系统自带的软件显示，在ARM调试软件中显示稳定性高、显示效果好，在软件调试时，显示是非常好，而且只需软件编程，无须硬件实现。
（6）抗干扰模块
在人为干扰软绳后，系统能自动恢复稳定，因此，系统必须能够判断摆锤是否处于稳定运动状态。
方案一：采用硬件识别技术，在可能使摆锤不稳定运动的地方放臵传感器，传感器的输出信号的不同状态字直接臵位摆锤驱动模块，这种方法比较可靠，但是放臵的传感器数量要很多，而且会使驱动模块的电路过于复杂。
方案二：采用软硬件结合的识别技术，在摆锤运动轨迹下的不同位臵放臵三个传感器，传感器的输出作为摆锤运动的状态字，ARM通过检测状态字判断摆锤的运动状态，这样硬件非常简单，而且软件编程使控制智能化。
1.2.2系统各个模块的最终方案
经过仔细的分析和比较、实际模拟和理论论证，决定了系统各模块的最终方案如下：
（1）电源模块：采用多路直流稳压电源（型号为DF1731SC）； （2）控制模块：采用LPC2138；
（3）频率测试模块：采用霍尔传感器AH44E；
（4）摆锤驱动模块：采用通电螺线管和三极管D882； （5）显示模块：采用ARM调试软件自带的显示器； （6）抗干扰模块：采用软硬件识别技术。
2 系统的硬件设计和实现 2.1系统硬件的基本组成部分
控制类题目的设计,涉及的硬件相对比较少,因此我们要尽量优化硬件的设计。在硬件设计中，我们运用了机械设计、电磁感应原理、电子技术、传感器技术和自动控制技术。系统硬件大致可分为：摆动系统，电子电路和智能控制三部
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