引言
隨著現(xiàn)代科技不斷發(fā)展,，人們對(duì)于各種基座平臺(tái)水平精度的要求也越來(lái)越高,，而現(xiàn)有的一些光學(xué)儀器已不能滿足對(duì)一些工程、建筑,、實(shí)驗(yàn)室和軍艦基座平臺(tái)進(jìn)行水平度檢測(cè)，針對(duì)這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,，采用新華龍公司的C8051F040作為主控制器,，設(shè)計(jì)出一個(gè)具有承重,、傾角調(diào)節(jié)及液晶顯示、語(yǔ)音播報(bào)等功能的高精度電子承載平臺(tái)平衡調(diào)整系統(tǒng),。電子承載平臺(tái)是一種承重,、測(cè)量的設(shè)備，其工作原理是通過(guò)傾角傳感器將作用在承載平臺(tái)上的傾角大小轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào),，以數(shù)字量的形式在液晶顯示屏上顯示出來(lái),，并且系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)平。
系統(tǒng)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(bào)輸出，并能通過(guò)外部設(shè)定自動(dòng)調(diào)整平臺(tái)的水平和傾斜,。如何選擇承載平臺(tái)的支撐腿,，穩(wěn)定速度和提高精度是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。系統(tǒng)選用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降桿控制平臺(tái)傾角,，速度調(diào)整靈活,，承載力大，精度高,。系統(tǒng)具有的功能包括：可承載1000克重的物品,，平臺(tái)可沿任意方向在30°內(nèi)傾斜，能在8秒內(nèi)調(diào)平,，調(diào)平精度＜2°,，且具有人機(jī)交互顯示、語(yǔ)音播報(bào)等功能,，是一個(gè)多功能的高精度平衡調(diào)整系統(tǒng),。
方案設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，承載平臺(tái)平衡調(diào)整系統(tǒng)可以劃分為穩(wěn)壓電源,，單片機(jī)(MPU),，升降推桿，LCD顯示模塊,，鍵盤(pán)控制模塊和語(yǔ)音播報(bào)模塊,。系統(tǒng)模塊基本框圖如圖1所示。
圖1 承載平臺(tái)平衡調(diào)整系統(tǒng)模塊基本框圖
升降推桿驅(qū)動(dòng)方式的選擇
升降推桿是一個(gè)重要的單元模塊,。系統(tǒng)是通過(guò)調(diào)整位于矩形平臺(tái)三個(gè)邊角升降推桿的位置,，來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)平面傾角的變化，升降推桿驅(qū)動(dòng)方式的好壞直接影響最終的結(jié)果,，有如下兩種可選驅(qū)動(dòng)方案,。
方案一：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋推桿
用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)物體的精確定位和方向控制。步進(jìn)電機(jī)是一種脈沖控制電機(jī)，它是一種能將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移的數(shù)模轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)方式是以步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)螺桿的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)推桿的伸縮，達(dá)到改變平臺(tái)各點(diǎn)位置的目的,。步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確步長(zhǎng),，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(biāo)準(zhǔn)件的螺紋間距小,，要達(dá)到8秒內(nèi)迅速升降定位，需要電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到10轉(zhuǎn)/s,，在實(shí)際測(cè)試中,，步進(jìn)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速是3轉(zhuǎn)/s，無(wú)法達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)8秒內(nèi)調(diào)整傾角的要求,。
方案二：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降推桿（見(jiàn)圖2）
圖2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降推桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
采用帶旋轉(zhuǎn)編碼器控制直流電機(jī),，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，精度可以得到保證,。但其驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜,，在短時(shí)間內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。而直流減速電機(jī)具有轉(zhuǎn)速快,，體積較小,，重量輕，可直接使用單片機(jī)輸出PWM控制轉(zhuǎn)速和可控性好的特點(diǎn),，經(jīng)計(jì)算,，選擇減速電機(jī)以求較大力矩，即可滿足系統(tǒng)在時(shí)間指標(biāo)上的要求,。
方案一可以達(dá)到高精度控制,，但轉(zhuǎn)速無(wú)法達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，方案二可達(dá)到系統(tǒng)速度和精度設(shè)計(jì)要求,，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理,，故采用方案二。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的選擇
方案一：采用電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng),。電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)芯片TA8435可以用兩路PWM信號(hào)控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī),，能夠較多地節(jié)省單片機(jī)資源，但致命的缺點(diǎn)是當(dāng)單片機(jī)速度變化較大時(shí),，電機(jī)很容易失控,。
方案二：采用專(zhuān)用芯片L298N,。響應(yīng)頻率高，一片可控制兩個(gè)直流電機(jī),，操作方便,，穩(wěn)定性好,，外圍電路簡(jiǎn)單,，焊接容易。
因此,，電機(jī)驅(qū)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(tǒng)的電源，由于系統(tǒng)耗電量較大,，使用干電池需經(jīng)常換電池,，不符合節(jié)約型設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)所需采用機(jī)械部件多,，系統(tǒng)平臺(tái)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,，不僅功率可以滿足系統(tǒng)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(shè)計(jì)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、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(tǒng)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(shè)計(jì)傾角傳感器采用SFT245AL雙軸傾角傳感器,。該傳感器將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大電路放大并濾波后,，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳送給MPU,，校準(zhǔn)處理后轉(zhuǎn)化為傾角測(cè)試結(jié)果,，測(cè)量范圍±45°，它具有零點(diǎn)設(shè)定,，輸出頻率可調(diào)和波特率可選等功能,。
語(yǔ)音芯片的選擇
該系統(tǒng)在語(yǔ)音播報(bào)上不需要長(zhǎng)時(shí)間的語(yǔ)音播放，為了減小成本,，本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)決定系統(tǒng)各模塊采用的最終方案如下：
（1）主控單元：C8051F040單片機(jī),；
（2）穩(wěn)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(tǒng)詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,。
圖3 承載平臺(tái)平衡調(diào)整系統(tǒng)詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)主要單元電路設(shè)計(jì)
電源模塊和繼電器電路的設(shè)計(jì)
電源模塊使用L2576HV穩(wěn)壓電路,，具體電路圖如圖4。
圖4 穩(wěn)壓電源電路圖
繼電器控制直流電機(jī)的正反接,，實(shí)現(xiàn)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(dāng)繼電器通電時(shí)燈亮,，斷電時(shí)燈滅,。燈亮?xí)r電機(jī)接口接電源正極，燈滅時(shí)接地,。每次轉(zhuǎn)換時(shí)都要先接地,。繼電器電路設(shè)計(jì)如圖5所示。
圖5 繼電器電路圖
電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用L298N電路,，具體電路如圖6所示,。
圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖
液晶顯示電路的設(shè)計(jì)
由于C8051F單片機(jī)不帶LCD驅(qū)動(dòng)，所以需要設(shè)計(jì)液晶顯示驅(qū)動(dòng),，12864M的CS,，WR，DT,，液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示,。
圖7 液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路圖
矩陣按鍵的設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)總共需要16個(gè)按鍵，按鍵掃描電路如圖8所示,。
圖8 按鍵掃描電路圖
語(yǔ)音模塊電路的設(shè)計(jì)
語(yǔ)音模塊采用ISD1420芯片,，語(yǔ)音電路實(shí)現(xiàn)錄音和放音的功能,，具體電路設(shè)計(jì)如圖9所示。
圖9 語(yǔ)音電路圖
系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能
該系統(tǒng)要完成對(duì)傾角傳感器所傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理來(lái)控制運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)行方向,、計(jì)算運(yùn)行物體的坐標(biāo)位置,、LCD數(shù)據(jù)顯示和鍵盤(pán)控制等功能。歸納為以下兩大功能：（1）對(duì)傾角傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算,，并輸出到LCD顯示,。（2）對(duì)按鍵輸入信號(hào)采集和判斷，控制直流電機(jī)升降桿的位置,。
系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由液晶顯示子程序,，語(yǔ)音播報(bào)子程序，按鍵掃描子程序和傾角調(diào)整子程序組成,。系統(tǒng)主程序流程圖如圖10所示。
圖10 系統(tǒng)主程序流程圖
設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和功能調(diào)試
直流電機(jī)推桿速度測(cè)試
測(cè)試儀器：直尺（精度0.01m）,，量角器（精度0.1°）,，鉛垂，秒表（精度10ms）,。
測(cè)試方法：首先測(cè)試推桿的最大升降速度,，用直尺測(cè)量出推桿開(kāi)始的距離值A(chǔ)點(diǎn)，電機(jī)兩端加上24V電壓,，開(kāi)始計(jì)時(shí),，記錄下結(jié)束距離值B點(diǎn)和結(jié)束時(shí)間，計(jì)算出升降速度,。表1的數(shù)據(jù)是多次測(cè)試取得的推桿平均速度,，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 直流電機(jī)推桿速度測(cè)試結(jié)果記錄表
角度調(diào)節(jié)精度測(cè)試
測(cè)試儀器：秒表（精度10ms）,，量角器（精度0.1°）,。
測(cè)試方法：通過(guò)按鍵輸入角度值，記錄下時(shí)間后,，通過(guò)液晶顯示傾角傳感器的傾角數(shù)值,，與量角器測(cè)試的數(shù)值比較之后，記錄下實(shí)際傾角數(shù)值后,，比較得出該系統(tǒng)精度,。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，經(jīng)過(guò)測(cè)試得出該系統(tǒng)調(diào)角時(shí)間在5秒之內(nèi),，精度控制在2°的誤差,。
表2 角度調(diào)節(jié)精度測(cè)試結(jié)果記錄表
結(jié)束語(yǔ)
C8051F040是高度集成的混合信號(hào)SoC級(jí)微控制器芯片。承載平臺(tái)平衡調(diào)整系統(tǒng)集成了C8051F040處理器,、傾角傳感器,、ISD1420語(yǔ)音播報(bào)模塊,、人機(jī)交互界面等硬件電路。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰,，速度穩(wěn)定,，操作簡(jiǎn)單，成本低,，經(jīng)測(cè)試,，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，具有較好的應(yīng)用前景,。