创新特色总结展望

J题　电磁控制运动装置

一、任务

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。装置外形尺寸要求不能大于：长300 mm、宽300 mm、高300 mm，摆杆支撑轴中心点到摆杆底端的长度规定在100～150 mm范围内；装置结构示意图如图J-1和图J-2所示。

图J-1　电磁控制运动装置示意图

图J-2　电磁控制运动装置侧面示意图

二、要求

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≤15 s。

(3)由静止点开始，按指定周期(0.5～2 s范围内)控制摆杆连续摆动，摆动周期绝对误差值≤0.2 s，响应时间≤15 s。

(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≤10 s。

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≤10 s。

(2)摆杆的周期能在0.5～2 s范围内预置，预置步进值为0.5 s，周期绝对误差值≤0.1 s，响应时间≤10 s。

(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 s后发出声、光提示，并在5 s内平稳地停在静止点上。

(4)其他。

三、说明

(1)图J-1和图J-2只作为设计参考，参赛队可以自行设计电磁控制运动装置结构；

(2)摆杆和摆杆支撑轴上不能安装任何驱动装置，但可以安装角度传感器；

(3)摆杆运动控制、检测装置的安装方式与控制方法由参赛队自行确定；

(4)磁铁在摆杆上的安装位置不做限制，在测试过程中不允许做任何改动和调整；

(5)摆角指示刻度盘绘制以1°为最小单位，可以自制或采用成品量角器，摆角测量值以摆杆上指针与指示刻度盘相对应的读数为基准。

(6)摆杆自然下垂的点定义为摆杆的静止点。

(7)响应时间在本题目中定义为：摆杆由初始静止状态到达稳定状态(4个周期摆幅基本相同)的时间。响应时间包括4个稳定周期摆动的时间。

四、评分标准

报　告　1

基本信息

一、预期实现目标定位

本设计的任务是设计并制作一个摆杆幅度和周期控制系统。要求利用电磁控制装置实现对摆杆幅度和摆动周期的控制。

按照题目要求，利用电磁力对磁铁的作用和大幅角摆动系统的固有规律，成功地设计制作了一个电磁运动控制系统，实现了对摆杆摆角和周期的准确控制。

该系统由运动摆杆机构、可控电磁发生装置、摆角指示器、角度检测传感器装置、PWM驱动板和显示器等部分构成。为了实现电磁控制系统的要求，经过充分比较、论证，确定了以系统通用性强、功能强大的MSP430F169单片机为核心,采用VTI公司生产的N1000060型倾角传感器检测摆杆的倾角，该传感器灵敏度高、线性好且使用起来简单方便。摆杆材料及其结构对系统性能至关重要，经过充分研究及比较试验，制造了价格低廉、实现容易、非常适合题目要求的摆杆机构(包括摆杆和摆杆轴及其支撑机构)；通过理论分析及其试验研究，制作了脉宽调制控制的卧式双绕组分离式电磁控制装置，能较精确地控制电磁力的大小和强度；应用ST公司的L298N双桥驱动器核心的驱动模块，去驱动电磁力绕组。为了器件的清晰、美观，且便于测试、观察及显示汉字，显示装置选用了点阵式LCD128×64液晶显示器为主要器件，并辅助配置了声光提示装置。最后的实验表明，系统较好地达到了设计要求。

二、技术方案分析比较

1.控制器模块

方案1：采用TI公司的MSP430F169单片机。该单片机能耗低，接口丰富，功能强大。系统使用3.3 V电源系列，与部分接口配合显得不便。

方案2：采用51系列单片机，譬如用C508051F20主芯片单片机作为控制器。该单片机I/O 资源丰富，包含有A/D、D/A端口，芯片内置JTAG电路，可在线调试，可简化系统开发调试的复杂度，但功能不如MP430F169单片机。

根据本题的要求，选择了第一种方案。

2.摆杆长度

摆杆长度对系统很重要。按照题目要求，摆杆长度在10～15 cm范围内。

方案1：10 cm长摆杆。固有周期短，重量轻，同样摆幅所需驱动力小。

方案2：15 cm长摆杆。较前者，固有周期变长，重量变大，同样摆幅所需驱动力也大些。

方案3：将方案1和2折中，采用12 cm长的摆杆。

经过反复研究，最终选用了方案3。

3.角度检测模块

角度检测模块是系统的重要组成部分，需要利用角度传感器来测量摆杆摆角。根据题目要求，角度的检测范围在±45°范围内，要求角度传感器分辨率较高，频率较快。目前市场上适合该方案的传感器主要有以下3种。

方案1：采用深圳市华夏磁电子技术开发有限公司的AME-B001角度传感器，0～360°测量范围，但是安装不便。

方案2：采用上海直川科技有限公司生产的ZCT245AL-TTL倾角传感器，测量范围-45°～45°，精度为0.1°，输出频率为10次/s，485信号输出。该传感器虽可满足设计要求，但稍显应用复杂。

方案3：采用VTI公司生产的N1000060型倾角传感器，该传感器灵敏度和线性好且使用起来简单方便。

考虑产品的性价比，选择了方案3。

4.摆杆机构

比较了多种材料，做了许多试验，方案归纳起来主要可有以下三类。

方案1：薄塑吸管。牢固耐用，但容易产生飘动。

方案2：塑料薄片。质量轻不易变形，轴向稳定性差。

方案3：IC用硬质塑料槽盒。美观性较好，轴向稳定性好。

通过试验反复比较，选择了方案3。

5.显示模块

题意要求系统具有数字显示功能，设计原则是以美观、清晰为主。

方案1：用数码管显示，其亮度高、成本低，适合显示数字，但不能显示汉字，显示内容较少。

方案2：采用OCJM 126×64点阵式液晶显示器。串行接口，可显汉字。缺点是使用稍显复杂。

考虑到设计原则，选择方案2。

6.绕组驱动模块

由于绕组驱动和电机驱动具有很大的相似性，选择了直接利用电机驱动模块来驱动绕组。模块的性能对系统的运行有重要影响，在重视模块性能的同时，也要考虑性价比。

方案1：购买电机驱动芯片，自制驱动模块。优点是成本低，缺点是增加了焊接难度和设计时间。

方案2：采用HY公司L298N直流电机PWM驱动模块，其体积小、价格便宜、使用方便，缺点是产品分散性较大。

经比较权衡，两者的性价比基本相同，但后者在性能上更显成熟，所以选择方案2。

7.电源模块

本设计的控制系统使用直流24 V、5 V和3.3 V三种电源供电。3.3 V由单片机板在输入5 V电压后自行变换。

方案1：双电源的稳压电源供电。优点是性能可靠、使用方便，缺点是重量大，移动困难。

方案2：双电源的稳压电源供电+自制双电源供电方式。优点是性能可靠、移动方便，缺点是需要自制电源。

经比较，选择方案2，24 V电源给直流绕组供电，其余供给控制器、传感器等模块使用。考虑到题意要求，主要以稳压电源为主，自制双电源供电方式仅备用。

8.电磁绕组装置

希望选择体积小、耗能低、产生电磁力强，无剩磁的电磁绕组装置。

方案1：自绕。性能较灵活，外形伸缩性大，费时，性能有待实验确认。

方案2：购买电磁生成装置。费时，成本高，性能有待确认。

方案3：利用现有废旧继电器，就地取材。优点是资源多，性能已得到确认。

试验中方案3优点很突出，能够满足系统要求，而且还节约能源。因此选择方案3。

三、系统结构工作原理

对摆杆摆动性能参数的控制问题本质上是电磁力的闭环控制和大幅角摆动物理问题的结合。系统控制原理图如图J-1-1所示。控制系统为负反馈角度与周期控制系统。

图J-1-1　控制系统原理图

四、功能指标实现方法

根据上述方案论证，最终确定以MSP430F169单片机为控制核心，给单片机配上16个自制独立键盘；废旧24 V直流继电器的绕组作为电磁绕组装置；使用VIT公司N10000060倾角传感器，摆杆为自制塑料螺杆结构；L298N芯片PWM电机用控制器通过调节电磁绕组电流来控制电磁力； 128×64点阵式液晶显示器作为数字显示装置。图J-1-1所示控制系统实现了各模块的功能及其相互配合后的综合功能，较好地达到了系统的功能指标。

五、电路结构工作机理

1.电磁控制电路

电路采用PWM控制方式，通过L298N控制加在绕组上的24 V直流电压的导通时间，使得绕组上电压平均值发生变化，进而通过电流变化控制电磁力。电路图见图J-1-2。

图J-1-2　控制电路

设置MSP430F169的Tmer_B在增计数工作方式，CCR0工作周期为500，对应输出模式选择模式7，这样CCR1、CCR2在0～500之间，实现了PWM的精确控制，在对应单片机端口输出控制脉冲。

2.控制电路算法的设计计算

图J-1-3　传感器原理示意图

系统算法的依据是对摆动时间进行采样的同时，获取角度传感器对应角度的电压值。如图J-1-3所示P位置，其角度α=30°时，依据公式α=arcsin(0.5Uout-1.25)，Uout≈3.5 V。通过A/D转换将此电压转换成数字量输入给单片机，单片机依据角度值或计算得到的实际角度与给定角度的差值生成对应脉冲宽度的方波信号，给电机驱动器PWM控制绕组电压，控制电磁力的大小和通断时间。同时控制器里所用的控制系数是经多次测量，计算、分析数据后得出的，角度与脉冲宽度的关系式通过线性回归模型来确立。

六、系统总体工作流程

控制算法设计与实现的程序流程图如图J-1-4所示。

图J-1-4　控制算法流程图

关键模块程序清单参见网站。

七、创新特色总结展望

本设计制作的控制系统较好的达到了题目要求。

(1)设计了摆角和周期检测的双闭环控制系统，使系统的性能更好。

(2)设计了卧式交互工作的双线圈PWM电磁驱动结构来产生电磁力，结构紧凑控制灵活。

八、参考资料

童诗白.模拟电子技术基础.第三版.北京：高等教育出版社，2001

孙肖子.实用电子电路手册(模拟分册).北京：高等教育出版社，1992

谭浩强.C语言程序设计.第二版.北京：清华大学出版社，2000

黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程.北京：电子工业出版社，2005

于淑萍.电子技术实践.北京：机械工业出版社，2007

高吉祥.2007年全国大学生电子设计竞赛试题剖析.北京：电子工业出版社，2009

沈建华,杨艳琴，等.MSP430系列16位低功耗单片机原理与实践.北京：北京航空航天大学出版社，2008

秦龙.MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲.北京：电子工业出版社，2007

宁武,唐晓宇，闫晓金，等.全国大学生电子设计竞赛基本技能指导.北京：电子工业出版社，2009

报　告　2

基本信息

一、技术方案分析比较

方案1：如图J-2-1所示，采用直流12 V的线圈，无法实现摆杆的摆动角度达到45°；运动摆杆采用木料，优点是易于加工和改装尺寸。单片机选用AT89C51型号，不具有内部的模数转换电路功能,采用角度传感器SCA100T，精度很高，但是采集速度慢，并且容易受到运动时产生的离心力影响。电磁控制运动装置中，需要两个H桥分别控制两个线圈工作，H桥驱动电路是利用TIP122和TIP127三极管开关工作对线圈中的电流进行控制，电路的集成度较低。采用LCD1602模块，只能实现两行共32字符的显示，不能显示字体，显示屏较小，能表达的信息过少。

方案2：如图J-2-2所示，采用直流24 V的线圈，可以实现摆杆的摆动角度达到45°；9 V电源适配器输出的直流电源线上增加一个铁氧体磁环，防止线圈产生干扰；单片机选用STC12C5A32S2，它的内部具有模数转换功能；角度传感器部分使用WDD35D4，转换顺滑，阻尼小，可做摆杆的轴承使用，简化了硬件电路，还具有线性精度高的特点，使得电磁控制运动装置的摆角精确度更高；电磁控制运动装置中，使用L298驱动电路来分别控制两个线圈的工作，电路集成度高，接线简单；采用LCD12864进行显示，通过内置的字库，可显示4行字符串，可显示汉字。

通过对方案1和方案2的综合对比论证，方案1虽然能基本实现功能，但是误差较大，电路复杂，方案2使用片内ADC，成本低，电路简洁，LCD12864显示信息丰富直观，与方案1相比，方案2更适合，故选择方案2。

二、理论分析与计算

1.功能分析

单片机输出的控制信号，通过L298驱动电路控制两个线圈中电流的大小，两个线圈产生的磁场力带动电磁铁摆杆摆动；与此同时，采用角度传感器来对摆杆的角度进行实时测量，采集数据，经过单片机处理后，准确地显示在LCD12864上。

2.摆杆角度与幅度的理论计算

控制摆杆的角度和幅度，需要产生一个周期的正弦驱动力，公式如下：

F=F0sin(2πft)

(1)

系统稳态时，偏离静止点的幅度公式：

x(t)=Xsin(2πft+φ)

(2)

含有电磁铁的摆杆将以驱动力相同的频率振动，但是会产生一个相位偏差Φ。稳态时振动幅度定义为：

(3)

其中　

相位偏差为：

(4)

电磁铁摆杆的摆动角度和幅度可以通过改变控制力的频率和大小，完成角度和周期的精确控制。

三、核心部件电路设计

1.单片机核心电路

STC12C5A32S2单片机是该电磁控制运动系统的核心电路，如图J-2-3所示，I/O端口主要为LCD12864数据的读写和控制操作、L298的输入电路、8个独立开关按键、声光提示电路提供信号。本系统使用2个开关，6个按键。P2端口的各位分别对应开关、按键的序号。开关1实现角度和周期的模式切换，开关2实现单模式和双模式的切换。按键1～4设置加减角度，设置加减周期，按键5～6分别是启动、停止位。LCD12864分三行显示，内容为当前模式、角度和周期。P3.6端口作为声、光提示电路的输入部分。

图J-2-3　STC12C5A32S2单片机核心电路

2.线圈控制电路设计

线圈控制电路主要是采用L298N双桥驱动器，为直流24V的线圈产生两路方向不同的电流，使线圈输出不同方向的磁场，从而控制电磁铁摆杆的运动角度和幅度。驱动控制电路如图J-2-4所示，P3.2～P3.5作为内部双桥的输入电路，P1.3、P1.4分别控制这两个线圈的作用力。采用自制的桥式驱动，效果极佳，调节范围大，简单、准确、易于实现。

图J-2-4　驱动控制电路图

3.电路性能测试

电磁控制装置安装稳定之后，给线圈控制电路、单片机核心电路等通电；连接示波器，观察波形，看是否能稳定输出正弦波，以便提供稳定电压(脉冲)。由于自制的支架可移动，可以手动调节线圈和摆针的距离。L298N驱动线圈产生磁场力，对绑定磁铁的摆杆进行吸合和排斥；通过按键控制，调节摆动角度大小，调节周期大小。再由电位器将检测信号反馈给单片机，进行数据采集并处理，将测量的结果显示在LCD12864上。测试过程如下：

测试一：调节静止点位置，启动按键后开始摆动，观察摆动角度和摆动节奏，发现摆动角度圆滑，没有波动。

测试二：观察摆杆的摆动角度，能在10°～45°之间连续摆动，摆角绝对误差在2°之内，如表J-2-1所示的数据。

测试三：由静止开始，查看摆动周期，等待摆动稳定后，测得摆动周期绝对误差在0.2 s之内。

测试四：在摆杆连续摆动的情况下，按下停止按钮，观察到摆杆平稳地停在静止点上，停止时间无误差。

测试五：摆杆的周期能在0.5～2 s范围内预置，预置步进值为0.5 s，周期绝对误差在0.2 s之内，如表J-2-2的数据所示，响应时间在2个预置周期之内实现。

测试六：摆杆幅度和周期可同时预置，由静止点开始摆动，摆角绝对误差在2°，响应时间在2个预置周期内。当摆杆稳定运行20 s后发出声、光提示，并在1 s内平稳地停在静止点上。

表J-2-1　设置摆角的测试数据

表J-2-2　调节周期测试数据

四、作品成效总结分析

由观察到的测试结果可知，角度范围和周期范围都达到了题目的要求。摆角在10°～45°内可调，摆角预置步进值为5°，周期预置步进值为0.5 s，周期在0.5～2 s内可调。摆杆摆角幅度和周期可同时预置，并且在摆杆稳定运行20 s后发出声、光提示，并在1 s后平稳地停在静止点上。本作品不仅完美实现了题目的要求，而且具有很精准的控制能力，稳定性能好。

六、参考资料

王福瑞，等.单片机微机测控系统设计大全.北京：北京航空航天大学出版社，1999

李华.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，1990

黄继昌，等.传感器工作原理及应用实例.北京：人民邮电出版社，1998

谭浩强.C程序设计.第四版.北京：清华大学出版社，2010

陈海松，等.单片机应用技能项目化教程.北京：电子工业出版社，2012

彭伟.单片机C语言程序设计实训100例.北京：电子工业出版社，2009