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【摘 要】该设计主要基于智能控制、单片机、传感器等技术的结合。本系统采用一个步进电动机控制U型导轨上下运动，使小球在导轨上按要求灵活滚动或定位。转轴通过一个角度传感器检测导轨升降的角度，并确定水平位置。U型导轨底部有五个接近开关，当小球运行至接近开关时有明显的声光指示。采用C8051F040作为系统控制核心，该控制器能自动获取小球的位置信息，根据设计好的运动控制算法改变导轨的倾角，并通过角度传感器和接近开关的反馈信号实现闭环控制，保证小球稳定运动并停留于平面上的任意给定参考位置。
【关键词】C8051F040 步进电机 角度传感器 接近开关
1 系统方案
本系统主要由C8051F040控制器、机构本体运动单元、电机驱动模块、接近开关感知模块、键盘输入模块、LCD1602显示模块、声光报警器电路等单元模块组成。小球使用金属材质，可利用接近开关检测。通过电机带动导轨上下运动，使得小球在轨道上滚动，导轨转轴处安装角度传感器检测导轨升降角度，在小球的滚动过程中接近开关时刻检测小球的移动位置，把角度传感器和位置传感器的检测信号反馈到控制器，构成双闭环控制系统，依据输入量和反馈信息C8051F040控制器进行分析计算，按功能要求控制小球在导轨滚动并到达相应位置，下面分别论证主要模块的选择。
1.1 主控单元的论证与选择
方案一：C8051040控制器。它是高速集成的混合信号片上系统，具有嵌入的A/D、D/A转换器，64个I/O数字接口，可利用资源丰富，能够对数字和模拟信号综合控制，对于传感器检测到的模拟信号进行有效控制，本系统中对于控制小球的反馈信号能够完全实现。
方案二：CPLD数字控制系统。CPLD控制系统能够对数字信号快速进行逻辑运算和算法控制，对于模拟量的处理需要对接模数转换器，对于设计和控制带来不便，并且加大了工作量。
综合以上两种方案，选择方案一。
1.2 导轨的论证与选择
方案一：采用一个双列直插集成电路封装管。它质量轻，不稳定，容易变形，并且在运动过程中发生弹性形变，使得反馈信号不稳定，不便于更好闭环控制。
方案二：采用两个双列直插集成电路封装管背对粘贴。它略比方案一好，但在调试过程中还是质量轻，不稳定，容易变形，效果不佳。
方案三：把一个双列直插集成电路封装管粘贴在铁管上。质量重，稳定，不易变形，导轨下降过程中随电机转速同步运动，角度传感器的固定也很方便。
综合以上三种方案，方案三符合我们对实验的要求。
1.3 执行单元的论证与选择
方案一：交流电机。交流电机使用L298N来驱动，控制其正反转和利用PWM波形调速非常简洁方便，但在测试过程中发现上升和下降过程中，因交流电机的负载情况不同而受到干扰，电机转速受到影响。
方案二：步进电动机。它可在宽广的频率范围内，通过改变脉冲频率实现调速，快速起停、正反转控制，到达一定角度的精度准确，具有更小的步距角，更高的分辨率。直流电机的转速因负载干扰的影响很小，由其组成的开环系统既简单又非常可靠。
综合考虑我们采用方案二，它可以更好地实现我们对小球控制功能。
2 系统理论分析与计算
2.1 轴倾角的分析
单片机随时在采集模拟通道的分压值，通过A/D转换器转换成12位数字量，该数字量和360度线性对应，所以能够精确反映出轨道角度，便于下一步对轨道角度调整让小球按功能运动。如果放置装置的地面不平整，存在倾角，导轨没有处于平衡位置，可通调节过和角度传感器串联的精密电位器，使得导轨到达平衡位置。在小球运动的过程中根据该数值和平衡位置采集值作比较，判断导轨偏角，让电机去驱动导轨按预定规律摆动，如图1所示。
2.2 接近开关的分析
在导轨上均匀分布安装了5个接近开关，其中一个安装在导轨中心位置，当金属球滚过该点时检测到并发出一个低电平信号，控制器就及时判断到小球在导轨上的位置。同时通过测量小球滚过两个接进开关时，所产生的两个低电平的时间差，计算出小球该区间的平均速度，利用速度计算出小球能够继续滚动的距离或者小球是否已经停留在该区间，作为驱动电机运动方式的依据。接近开关在导轨的位置，如图2所示。
3 电路与程序设计
3.1 电路的设计
3.1.1 系统总体框图（图3）
总体电路以C8051F040为控制核心，键盘作为功能选择按钮和周期及位移量输入端口，LCD1602将输入信号在显示屏显示。小球滚动过程中，接近开关和位置传感器作为小球滚动的反馈信号，可形成双闭环控制系统。依据控制要求C8051F040控制器进行算法运算，给直流电机输出脉冲和正反转控制信号，电机作为执行单元控制导轨动作进而控制小球滚动，当滚动达到控制指令完成状态时，声光报警电路开始工作，表示已达到控制目的。
3.1.2 角度传感器电路原理图（图4）
角度传感器是一个精密电位器，精度达到0.5%，安装在导轨转轴处，随着导轨的运动阻值线性变化。角度传感器和一电位器串联分压，导轨摆动时分压值随导轨转角线性变化，分压值量输入到C8051F040的模拟输入通道，通过ADC0转换成数字量。
3.1.3 声光报警器电路原理图（图5）
声光报警电路是用ULN2003来驱动发光二极管和电容式蜂鸣器报警，表示完成各项功能或者小球到达极限位置，其电路连接图如图5所示。
3.2 程序的设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
（1）程序功能描述。电路设置了6个键盘功能键，2个按钮功能键，分别是键盘上的A、B、C、D、#、*和开发板上的S4和S31按钮，功能键A到*按下下实现8种控制功能。数字键可设置周期和最大位移。
（2）程序设计思路。总体按照所完成功能不同，设计了6个功能子程序，每个子程序进入时完成相应的部分功能，结束后可由按键S4跳出功能程序，进入功能键按压等待时刻，如此往复运行，在各子程序中通过反馈量和运动要求进行算法设计，调整输出量驱动电机控制导轨运动，间接控制小球的滚动。
3.2.2 程序流程图（图6）
4 测试方案与测试结果
4.1 测试方案
（1）硬件测试。电路焊接完成后依据原理图接线，逐步检测链接线的焊接是否可靠，焊点有无虚焊和漏焊等情况，检查完毕后通电，测试每一个功能模块是否可以实现电路功能。
（2）软件仿真测试。本设计中应用新华龙电子C8051F040单片机开发套件（Silicon Laboratories IDE）开发软件，用C语言编程可以在线运行和调试，验证程序的执行过程和执行中的故障，及时调整程序。
（3）硬件软件联调。调试和排除故障后下载程序验证和调整。
综上所述，本设计达到设计要求。
【关键词】C8051F040 步进电机 角度传感器 接近开关
1 系统方案
本系统主要由C8051F040控制器、机构本体运动单元、电机驱动模块、接近开关感知模块、键盘输入模块、LCD1602显示模块、声光报警器电路等单元模块组成。小球使用金属材质，可利用接近开关检测。通过电机带动导轨上下运动，使得小球在轨道上滚动，导轨转轴处安装角度传感器检测导轨升降角度，在小球的滚动过程中接近开关时刻检测小球的移动位置，把角度传感器和位置传感器的检测信号反馈到控制器，构成双闭环控制系统，依据输入量和反馈信息C8051F040控制器进行分析计算，按功能要求控制小球在导轨滚动并到达相应位置，下面分别论证主要模块的选择。
1.1 主控单元的论证与选择
方案一：C8051040控制器。它是高速集成的混合信号片上系统，具有嵌入的A/D、D/A转换器，64个I/O数字接口，可利用资源丰富，能够对数字和模拟信号综合控制，对于传感器检测到的模拟信号进行有效控制，本系统中对于控制小球的反馈信号能够完全实现。
方案二：CPLD数字控制系统。CPLD控制系统能够对数字信号快速进行逻辑运算和算法控制，对于模拟量的处理需要对接模数转换器，对于设计和控制带来不便，并且加大了工作量。
综合以上两种方案，选择方案一。
1.2 导轨的论证与选择
方案一：采用一个双列直插集成电路封装管。它质量轻，不稳定，容易变形，并且在运动过程中发生弹性形变，使得反馈信号不稳定，不便于更好闭环控制。
方案二：采用两个双列直插集成电路封装管背对粘贴。它略比方案一好，但在调试过程中还是质量轻，不稳定，容易变形，效果不佳。
方案三：把一个双列直插集成电路封装管粘贴在铁管上。质量重，稳定，不易变形，导轨下降过程中随电机转速同步运动，角度传感器的固定也很方便。
综合以上三种方案，方案三符合我们对实验的要求。
1.3 执行单元的论证与选择
方案一：交流电机。交流电机使用L298N来驱动，控制其正反转和利用PWM波形调速非常简洁方便，但在测试过程中发现上升和下降过程中，因交流电机的负载情况不同而受到干扰，电机转速受到影响。
方案二：步进电动机。它可在宽广的频率范围内，通过改变脉冲频率实现调速，快速起停、正反转控制，到达一定角度的精度准确，具有更小的步距角，更高的分辨率。直流电机的转速因负载干扰的影响很小，由其组成的开环系统既简单又非常可靠。
综合考虑我们采用方案二，它可以更好地实现我们对小球控制功能。
2 系统理论分析与计算
2.1 轴倾角的分析
单片机随时在采集模拟通道的分压值，通过A/D转换器转换成12位数字量，该数字量和360度线性对应，所以能够精确反映出轨道角度，便于下一步对轨道角度调整让小球按功能运动。如果放置装置的地面不平整，存在倾角，导轨没有处于平衡位置，可通调节过和角度传感器串联的精密电位器，使得导轨到达平衡位置。在小球运动的过程中根据该数值和平衡位置采集值作比较，判断导轨偏角，让电机去驱动导轨按预定规律摆动，如图1所示。
2.2 接近开关的分析
在导轨上均匀分布安装了5个接近开关，其中一个安装在导轨中心位置，当金属球滚过该点时检测到并发出一个低电平信号，控制器就及时判断到小球在导轨上的位置。同时通过测量小球滚过两个接进开关时，所产生的两个低电平的时间差，计算出小球该区间的平均速度，利用速度计算出小球能够继续滚动的距离或者小球是否已经停留在该区间，作为驱动电机运动方式的依据。接近开关在导轨的位置，如图2所示。
3 电路与程序设计
3.1 电路的设计
3.1.1 系统总体框图（图3）
总体电路以C8051F040为控制核心，键盘作为功能选择按钮和周期及位移量输入端口，LCD1602将输入信号在显示屏显示。小球滚动过程中，接近开关和位置传感器作为小球滚动的反馈信号，可形成双闭环控制系统。依据控制要求C8051F040控制器进行算法运算，给直流电机输出脉冲和正反转控制信号，电机作为执行单元控制导轨动作进而控制小球滚动，当滚动达到控制指令完成状态时，声光报警电路开始工作，表示已达到控制目的。
3.1.2 角度传感器电路原理图（图4）
角度传感器是一个精密电位器，精度达到0.5%，安装在导轨转轴处，随着导轨的运动阻值线性变化。角度传感器和一电位器串联分压，导轨摆动时分压值随导轨转角线性变化，分压值量输入到C8051F040的模拟输入通道，通过ADC0转换成数字量。
3.1.3 声光报警器电路原理图（图5）
声光报警电路是用ULN2003来驱动发光二极管和电容式蜂鸣器报警，表示完成各项功能或者小球到达极限位置，其电路连接图如图5所示。
3.2 程序的设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
（1）程序功能描述。电路设置了6个键盘功能键，2个按钮功能键，分别是键盘上的A、B、C、D、#、*和开发板上的S4和S31按钮，功能键A到*按下下实现8种控制功能。数字键可设置周期和最大位移。
（2）程序设计思路。总体按照所完成功能不同，设计了6个功能子程序，每个子程序进入时完成相应的部分功能，结束后可由按键S4跳出功能程序，进入功能键按压等待时刻，如此往复运行，在各子程序中通过反馈量和运动要求进行算法设计，调整输出量驱动电机控制导轨运动，间接控制小球的滚动。
3.2.2 程序流程图（图6）
4 测试方案与测试结果
4.1 测试方案
（1）硬件测试。电路焊接完成后依据原理图接线，逐步检测链接线的焊接是否可靠，焊点有无虚焊和漏焊等情况，检查完毕后通电，测试每一个功能模块是否可以实现电路功能。
（2）软件仿真测试。本设计中应用新华龙电子C8051F040单片机开发套件（Silicon Laboratories IDE）开发软件，用C语言编程可以在线运行和调试，验证程序的执行过程和执行中的故障，及时调整程序。
（3）硬件软件联调。调试和排除故障后下载程序验证和调整。
综上所述，本设计达到设计要求。