基于C8051F040电磁控制运动装置的实现

【摘要】本文设计的是以16位低功耗c8051f040单片机为控制芯片的简易电磁控制运动装置，整个系统包含键盘模块、液晶显示模块、角度采样模块、恒流源模块、单片机控制模块、单摆机械装置模块、电磁控制模块等。由角度传感器、单片机以及恒流源构成闭环反馈控制，通过PID控制使电磁控制装置的磁场变化频率和单摆固有频率基本相等，以达到单摆的自由谐振，能够在允许误差范围内摆到指定角度及周期。

【关键词】C8051F040单片机 电磁控制 角度传感器 恒流源

1 系统方案

1.1 系统总体方案设计与结构框图

根据题目要求，本电路由键盘模块、角度采样模块、液晶显示模块、恒流源模块、单片机控制模块、单摆机械装置模块、电磁控制模块等组成。系统结构图如图1所示。

1.2 方案设计与论证

（1）单片机控制模块。方案：采用C8051F040系列单片机作为控制核心，该芯片是八位机价格但具有十六位微控制器功能，拥有12位的ADC和10位的DAC、22个中断源、100个引脚，可使用多种时钟，包括内部时钟和外部时钟，并且可用编程方式进行转换，因其同时具有ADC和DAC模块和八个I/O口，用户资源丰富，并能实现在线调试。

（2）电磁控制装置。方案一：采用继电器控制，将16个线圈弧形排列，并通过单片机控制逐个向线圈通电，产生磁场，驱动单摆摆动；但各线圈产生的磁场强度相互干扰，单摆不能够平稳的振荡。方案二：采用恒流电源为设计中心，通过单片机控制恒流源来改变电磁控制装置的线圈电流，在电流大小改变时电磁控制装置中的磁场随着变化，磁力由一个线圈提供，摆放在单摆的平衡位置，当单摆回到平衡位置时线圈磁力方向与单摆磁力方向相斥，单摆稍微偏离平衡位置便给单摆的磁体一个推力而推动单摆左右摆动，此方案结构简单，准确性较好。综上所述我们选择方案二。

（3）角度采样模块。采用精密导电塑料电位器WDD35作为角度传感器使用（用电位器转轴作为单摆轴心），并与高精度电位器组成电阻分压电路，将模拟信号送给单片机的ADC，单片机将数字量进行判断，进而改变电磁控制装置线圈的电流，从而驱动单摆摆幅。

（4）键盘模块。采用矩阵式键盘，键盘中同一行或同一列的按键互相影响，用于按键数量较多的场合。

（5）恒流源模块。采用恒流源电路为电磁控制装置提供可以由单片机控制其大小的电流，从而驱动单摆摆动到平衡位置的磁场强度。

（6）单摆机械模块。采用单摆反映控制信号强弱及角度的准确性。

2 系统电路设计

2.1 恒流源电路图

单片机输出的数字量，经D/A转换为连续变化的电压值，送到由LM358组成的恒流源电路，使电磁线圈L的电流可变，从而改变线圈的电流，控制电磁铁电磁力的大小，来改变摆角的大小。两个三极管构成N PN型复合管，工作在开关状态。图2为恒流源驱动电路，电磁线圈采用线径0.5的漆包线手工绕制1800匝。

2.2 角度采样电路

角度采样电路如图3所示，采用WDD35精密导电塑料电位器，其线性很好，精度可达±0.05。将摆杆角度的变化电阻的变化，再转换成电压的变化，送到单片机进行A/D转换，作为采样信号。

2.3 电磁装置示意图（见图4）

3 程序设计（见图5）

4 数据测量

根据上述测试数据，经分析可以得出以下结论：（1）单摆能在起振时间内从静止点向左右方向摆动，定位较准确，误差小于10%。（2）单摆能将其位置坐标值返回，定位误差小于10%（见表1）。