基于自由擺的平板精確控制與激光追蹤系統

摘要：以TI公司的MSP430F5438單片機為控制核心，結合步進電機和精密電位器WDD35D-4，實現了基于自由擺的平板控制與激光追蹤系統。當擺桿擺角為45°～60°時，平板可以承載8枚一元硬幣，并在5個擺動周期內維持穩定；當擺桿擺角為30°～60°時，固定在擺桿平板上的激光筆可以在15 s內找到并跟蹤1．5 m遠處的靶心。
關鍵詞：MSP430F5438；激光追蹤；精密電位器；自由擺

引言
隨著現代科學技術的發展，基于嵌入式系統的自動控制在工業中得到了廣泛的應用。目前，工業生產的機械復雜度越來越高，單純在靜止條件下的自動控制已經不能滿足人們對測控系統的要求，因此，研究如何在動態條件下對系統實施精確測量與控制是十分必要的。本文介紹了一種基于自由擺的平板精確控制與激光追蹤系統。在現代工業中，這種系統可以適應工業發展，應用在復雜度較高的自動化生產中，在生產過程中可以同時完成測量與控制，提高生產的自動化程度。

1 系統結構
1．1 系統整體結構
系統整體結構如圖1所示，主要由控制模塊、采集模塊、步進電機驅動模塊、步進電機、自由擺平板和激光筆，以及調試模塊組成。其中，采集模塊采用WDD35D-4精密電位器，當自由擺擺桿擺動時，電位器的阻值會發生變化，從而反應擺桿的位置信息。控制模塊采用低功耗單片機MSP430F5438作為處理器，MSP430F5438內置A／D模塊，可以采集精密電位器反饋的模擬信號。步進電機驅動選用東芝公司的TB6560芯片，該芯片是低功耗、高集成兩相混合式驅動芯片，驅動步進電機，用以控制自由擺平板和激光筆的位置。調試模塊用于控制模塊程序下載與系統調試，正常工作時不使用。

1．2 自由擺機械結構
自由擺機械主要由固定支架、轉軸、擺桿、電機、平板、激光筆構成，如圖2(a)所示。自由擺轉軸上連接有精密電位器作為擺桿角度傳感器，電機固定在擺桿底部，平板固定在電機的轉軸上。自由擺擺動示意圖如圖2(b)所示，在平板上放置8枚一元硬幣，在擺桿擺動過程中，電機和平板也會隨擺桿轉動，通過單片機控制電機的轉動，使硬幣穩定在平板上。同時，在平板下方與平板平行的方向固定有激光筆，通過系統控制，可以實現在擺桿擺動過程中激光筆跟蹤預設目標的功能。

2 理論分析
2．1 自由擺精確控制理論
在平板中心穩定放置8枚1元硬幣(人民幣)，抬起擺桿讓擺桿與支架成一定角度θ(45°≤θ≤60°)，放開擺桿讓其自由擺動。自由擺精確控制必須達到以下目標：在擺桿擺動過程中，要求控制平板狀態，使硬幣在5個擺動周期中不會從平板上滑落，并盡量減少滑離平板的中心位置。
要達到以上目的，電機必須根據相關參數控制平板的角度，保證擺桿擺動過程中硬幣的受力平衡。分析自由擺擺動過程，精確控制主要得保證從擺桿初始位置到平板與擺桿垂直(該狀態無須主動控制硬幣即可受力平衡)的過程中，硬幣保持相對穩定。