基于自由摆的平板精确控制与激光追踪系统

摘要：以TI公司的MSP430F5438单片机为控制核心，结合步进电机和精密电位器WDD35D-4，实现了基于自由摆的平板控制与激光追踪系统。当摆杆摆角为45°～60°时，平板可以承载8枚一元硬币，并在5个摆动周期内维持稳定；当摆杆摆角为30°～60°时，固定在摆杆平板上的激光笔可以在15 s内找到并跟踪1．5 m远处的靶心。关键词：MSP430F5438；激光追踪；精密电位器；自由摆引言 随着现代科学技术的发展，基于嵌入式系统的自动控制在工业中得到了广泛的应用。目前，工业生产的机械复杂度越来越高，单纯在静止条件下的自动控制已经不能满足人们对测控系统的要求，因此，研究如何在动态条件下对系统实施精确测量与控制是十分必要的。本文介绍了一种基于自由摆的平板精确控制与激光追踪系统。在现代工业中，这种系统可以适应工业发展，应用在复杂度较高的自动化生产中，在生产过程中可以同时完成测量与控制，提高生产的自动化程度。1 系统结构1．1 系统整体结构 系统整体结构如图1所示，主要由控制模块、采集模块、步进电机驱动模块、步进电机、自由摆平板和激光笔，以及调试模块组成。其中，采集模块采用WDD35D-4精密电位器，当自由摆摆杆摆动时，电位器的阻值会发生变化，从而反应摆杆的位置信息。控制模块采用低功耗单片机MSP430F5438作为处理器，MSP430F5438内置A／D模块，可以采集精密电位器反馈的模拟信号。步进电机驱动选用东芝公司的TB6560芯片，该芯片是低功耗、高集成两相混合式驱动芯片，驱动步进电机，用以控制自由摆平板和激光笔的位置。调试模块用于控制模块程序下载与系统调试，正常工作时不使用。

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1．2 自由摆机械结构 自由摆机械主要由固定支架、转轴、摆杆、电机、平板、激光笔构成，如图2(a)所示。自由摆转轴上连接有精密电位器作为摆杆角度传感器，电机固定在摆杆底部，平板固定在电机的转轴上。自由摆摆动示意图如图2(b)所示，在平板上放置8枚一元硬币，在摆杆摆动过程中，电机和平板也会随摆杆转动，通过单片机控制电机的转动，使硬币稳定在平板上。同时，在平板下方与平板平行的方向固定有激光笔，通过系统控制，可以实现在摆杆摆动过程中激光笔跟踪预设目标的功能。

2 理论分析2．1 自由摆精确控制理论 在平板中心稳定放置8枚1元硬币(人民币)，抬起摆杆让摆杆与支架成一定角度θ(45°≤θ≤60°)，放开摆杆让其自由摆动。自由摆精确控制必须达到以下目标：在摆杆摆动过程中，要求控制平板状态，使硬币在5个摆动周期中不会从平板上滑落，并尽量减少滑离平板的中心位置。 要达到以上目的，电机必须根据相关参数控制平板的角度，保证摆杆摆动过程中硬币的受力平衡。分析自由摆摆动过程，精确控制主要得保证从摆杆初始位置到平板与摆杆垂直(该状态无须主动控制硬币即可受力平衡)的过程中，硬币保持相对稳定。

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