摘要：基于自由擺的平板控制系統主要由擺架框架、數據采集部分、主控板和驅動系統四大部分組成。擺架框架主要由固定支架、擺桿和平板構成。數據采集使用了高精度低量程的加速度傳感器MMA7361L；主控板以ATMEL公司8位單片機AT89S52為控制核心；驅動系統采用了WWX系列的步進電機。自由擺的運動為連續的控制過程，控制規律采用了基于拉格朗日方程的平板狀態反饋控制算法。系統經測試表明，控制精度高，穩定性好。
　　關鍵詞：平板控制系統；加速度傳感器；步進電機；反饋控制算法
　　一、系統整體方案
　　自由擺平板控制系統是由數據采集模塊、控制驅動模塊、電機驅動模塊和自由擺本體等幾大部分構成的一個閉環系統。其系統結構框圖如圖1所示。
　　在系統中，通過加速度傳感器的反饋獲得自由擺平板的位移，控制驅動模塊實時讀取傳感器反饋的數據，確定控制決策，同時控制模塊通過處理器內部的控制算法實現該控制決策，產生相應的控制量，使電機轉動，從而帶動平板轉動，達到平板的平衡狀態。
　　圖1系統結構框圖
　　二、硬件電路設計
　　1．數據采集電路
　　數據采集部分可以實現平板角度的檢測。該電路由傳感器電路、信號調理電路和A/D轉換電路三部分組成。傳感器選用MMA7361L型加速度傳感器，它是一種低功耗、小型電容式微機械加速度傳感器，具有信號調理、一階低通濾波器、溫度補償、自檢、帶有線性自由落體檢測的零重力檢測，以及可以選擇兩種靈敏度的重力選擇功能。它可根據物件運動和方向改變輸出信號的電壓值。各軸的信號在不運動或不被重力作用的狀態下，其輸出電壓為1.65V。如果沿著某一方向活動或受到重力作用，輸出電壓就會根據其運動方向以及設定的傳感器靈敏度而改變輸出電壓。
　　為了提高傳感器的抗干擾能力，在傳感器的電源輸入引腳VDD附近設置了一個100nF的濾波電容，并以低阻抗連接到地。輸出信號Vout也通過一個小電容（10nF）接地保護。并將傳感器電路的輸出送入信號調理電路。
　　信號調理電路如圖2所示，由圖2可見該電路是由LM324構成的電壓跟隨器和同向比例放大器級聯構成，可實現將輸入電壓信號放大2倍左右。
　　圖2信號調理電路
　　2.主控電路
　　主要負責接收ADC轉換后的角度信息，由單片機進行處理進而控制電機工作，是整個系統的核心。主控電路主要由單片機及顯示等外圍電路組成。硬件電路簡單，主要工作量集中在軟件的編程上。主控電路的構成如圖3所示。
　　圖3主控電路構成圖
　　三、軟件設計
　　1．軟件整體功能
　　軟件實現的主要功能為：控制數據采集模塊獲得電壓數據，對采樣數據進行處理，獲得處理器可接受的電信號值，對步進電機進行控制，實現系統響應時間到時給予LED指示。
　　2．系統主程序流程
　　系統主程序分系統初始化模塊和控制算法模塊。為使后面的設置不受中斷的影響，系統首先屏蔽全部可屏蔽中斷，接著對系統進行初始化。初始模塊只在系統上電或復位時執行一次。主程序流程圖如圖7所示。
　　圖7系統主程序流程圖圖8控制程序流程圖
　　結語
　　經實際測試，所設計的系統在自由擺運動的過程中，擺幅最大可達60度，運動同時可保持平板上放置的8枚硬幣不從平板上掉下。該系統電路結構簡單，控制算法簡單，控制精度高，在控制平板運動中取得了較為滿意的控制效果。
　　參考文獻：
　　[1]羅亞非.凌陽16位單片機應用基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.12
　　[2]童詩白.模擬電子技術基礎(第三版)[M].北京：高等教育出版社，2001.1
　　[3]孫肖子.實用電子電路手冊（模擬分冊）[M].北京：高等教育出版社，1992