基于C8051F040單片機的承載平臺平衡調整系統

引言

隨著(zhù)現代科技不斷發(fā)展，人們對于各種基座平臺水平精度的要求也越來(lái)越高，而現有的一些光學(xué)儀器已不能滿(mǎn)足對一些工程、建筑、實(shí)驗室和軍艦基座平臺進(jìn)行水平度檢測，針對這一現實(shí)問(wèn)題，采用新華龍公司的C8051F040作為主控制器，設計出一個(gè)具有承重、傾角調節及液晶顯示、語(yǔ)音播報等功能的高精度電子承載平臺平衡調整系統。電子承載平臺是一種承重、測量的設備，其工作原理是通過(guò)傾角傳感器將作用在承載平臺上的傾角大小轉換為相應的電信號，以數字量的形式在液晶顯示屏上顯示出來(lái)，并且系統能實(shí)現自動(dòng)調平。

系統采用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(yǔ)音播報輸出，并能通過(guò)外部設定自動(dòng)調整平臺的水平和傾斜。如何選擇承載平臺的支撐腿，穩定速度和提高精度是系統設計的關(guān)鍵。系統選用直流電機驅動(dòng)升降桿控制平臺傾角，速度調整靈活，承載力大，精度高。系統具有的功能包括：可承載1000克重的物品，平臺可沿任意方向在30°內傾斜，能在8秒內調平，調平精度＜2°，且具有人機交互顯示、語(yǔ)音播報等功能，是一個(gè)多功能的高精度平衡調整系統。

方案設計

根據設計要求，承載平臺平衡調整系統可以劃分為穩壓電源，單片機(MPU)，升降推桿，LCD顯示模塊，鍵盤(pán)控制模塊和語(yǔ)音播報模塊。系統模塊基本框圖如圖1所示。

圖1 承載平臺平衡調整系統模塊基本框圖

升降推桿驅動(dòng)方式的選擇

升降推桿是一個(gè)重要的單元模塊。系統是通過(guò)調整位于矩形平臺三個(gè)邊角升降推桿的位置，來(lái)實(shí)現平臺平面傾角的變化，升降推桿驅動(dòng)方式的好壞直接影響最終的結果，有如下兩種可選驅動(dòng)方案。

方案一：步進(jìn)電機驅動(dòng)螺旋推桿

用步進(jìn)電機實(shí)現物體的精確定位和方向控制。步進(jìn)電機是一種脈沖控制電機，它是一種能將脈沖信號轉換為角位移的數模轉換器，可廣泛用于無(wú)需反饋控制但要求有精確位置的場(chǎng)合。該驅動(dòng)方式是以步進(jìn)電機旋轉螺桿的方式來(lái)實(shí)現推桿的伸縮，達到改變平臺各點(diǎn)位置的目的。步進(jìn)電機可以實(shí)現準確步長(cháng)，但輸出力矩低，速度慢，體積大，較笨重。

在實(shí)際操作中，螺桿標準件的螺紋間距小，要達到8秒內迅速升降定位，需要電機轉速達到10轉/s，在實(shí)際測試中，步進(jìn)電機的最大轉速是3轉/s，無(wú)法達到系統設計8秒內調整傾角的要求。

方案二：直流電機驅動(dòng)升降推桿（見(jiàn)圖2）

圖2 直流電機驅動(dòng)升降推桿結構簡(jiǎn)圖

采用帶旋轉編碼器控制直流電機，電機運轉平穩，精度可以得到保證。但其驅動(dòng)電路復雜，在短時(shí)間內難以實(shí)現。而直流減速電機具有轉速快，體積較小，重量輕，可直接使用單片機輸出PWM控制轉速和可控性好的特點(diǎn)，經(jīng)計算，選擇減速電機以求較大力矩，即可滿(mǎn)足系統在時(shí)間指標上的要求。

方案一可以達到高精度控制，但轉速無(wú)法達到系統設計要求，方案二可達到系統速度和精度設計要求，且結構設計更為合理，故采用方案二。

電機驅動(dòng)模塊的選擇

方案一：采用電機細分驅動(dòng)。電機細分驅動(dòng)芯片TA8435可以用兩路PWM信號控制兩個(gè)步進(jìn)電機，能夠較多地節省單片機資源，但致命的缺點(diǎn)是當單片機速度變化較大時(shí)，電機很容易失控。

方案二：采用專(zhuān)用芯片L298N。響應頻率高，一片可控制兩個(gè)直流電機，操作方便，穩定性好，外圍電路簡(jiǎn)單，焊接容易。

因此，電機驅動(dòng)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的電源，由于系統耗電量較大，使用干電池需經(jīng)常換電池，不符合節約型設計要求。系統所需采用機械部件多，系統平臺傾斜角大，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(mǎn)足系統需求，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(pán)模塊的選擇

本設計顯示模塊使用液晶顯示屏顯示時(shí)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(guān)、視覺(jué)舒適；可以用中文LCD液晶進(jìn)行菜單顯示，使整個(gè)控制系統更加人性化。而鍵盤(pán)模塊則選用4×4矩陣鍵盤(pán)。

傾角傳感器的選擇

本設計傾角傳感器采用SFT245AL雙軸傾角傳感器。該傳感器將物理信號轉換為電信號，經(jīng)放大電路放大并濾波后，通過(guò)A/D轉換將模擬電壓信號轉換成數字量傳送給MPU，校準處理后轉化為傾角測試結果，測量范圍±45°，它具有零點(diǎn)設定，輸出頻率可調和波特率可選等功能。

語(yǔ)音芯片的選擇

該系統在語(yǔ)音播報上不需要長(cháng)時(shí)間的語(yǔ)音播放，為了減小成本，本設計語(yǔ)音芯片選用ISD1420，其錄音時(shí)間為20秒，價(jià)錢(qián)便宜，技術(shù)成熟。

最終方案

經(jīng)過(guò)上述的分析和論證，本設計決定系統各模塊采用的最終方案如下：

（1）主控單元：C8051F040單片機；

（2）穩壓電源：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(pán)模塊：4×4矩陣鍵盤(pán)；

（6）語(yǔ)音模塊：ISD1420芯片。

系統詳細結構圖如圖3所示。

圖3 承載平臺平衡調整系統詳細結構圖

系統主要單元電路設計

電源模塊和繼電器電路的設計

電源模塊使用L2576HV穩壓電路，具體電路圖如圖4。

圖4 穩壓電源電路圖

繼電器控制直流電機的正反接，實(shí)現滑輪的上下滑動(dòng)。每個(gè)繼電器都有一個(gè)工作指示燈。當繼電器通電時(shí)燈亮，斷電時(shí)燈滅。燈亮時(shí)電機接口接電源正極，燈滅時(shí)接地。每次轉換時(shí)都要先接地。繼電器電路設計如圖5所示。

圖5 繼電器電路圖

電機驅動(dòng)電路的設計

電機驅動(dòng)模塊采用L298N電路，具體電路如圖6所示。

圖6 電機驅動(dòng)電路圖