2013 年全國大學生電子設計競賽，電磁控制運動裝置 （J 題），全國一等獎，論文
1 系統方案
本系統主要由控制模塊、驅動模塊、輸入模塊和顯示模塊四部分組成，下面分別對幾
個模塊進行論證和選擇。
1.1控制模塊
方案一：采用STC89C52單片機作為控制模塊核心元件。STC89C52單片機是一種帶
8K可反復擦寫 FlashRom的可編程只讀存儲器，該芯片低電壓，高性能 COMOS8 的微處
理器，該芯片兼容 MCS51 指令系統，32 個雙向 I/O 口，256*8bit 內部 RAM，時鐘頻率
0~24MHz，2個串行中斷，2個外部中斷，2個定時器。由于STC89C52的存儲只有8K，
運行頻率相對較小，不能滿足本系統的設計要求，因此不采用此方案。
方案二：采用STM12C5A單片機作為控制模塊核心元件。該單片機兼容MCS51單片
機的指令系統，工作電壓為 3.3~5.5V，時鐘頻率為 35MHz，片上集成 1280 字節 RAM，
通用I/O口40個，內部集成 MAX810專用復位電平，外部高速時鐘，4個16位定時器，
兩個時鐘輸出口，外部7路中段，STM12C5A單片機運行速度較8051快，比STM32F103
單片機慢，價格較 STM32F103 單片機便宜。因為該單片機應用于本系統存在內存不足，
I/O口引腳不夠的缺點，所以不采用此方案。
方案三：采用 STM32F103 單片機作為控制模塊核心元件。STM32F103 單片機采用
ARM 內核，時鐘頻率可達 72MHz，可高速運行，外接高速晶振，外部 100 個 I/O 口都可
以產生中斷， 片內五個定時器， 內部集成 ADC， 溫度傳感器， 5~3.3V供電電壓， 內部128K
程序存儲。STM32F103單片機處理速度快，片內程序存儲空間大，滿足本系統控制要求。
因此，綜合以上三種方案的比較，選擇方案三完成系統控制模塊的功能。
1.2驅動模塊
方案一：采用電阻網絡或數字電位器調整電磁鐵的分壓，達到調壓的目的。但是電阻
網絡只能用于有級調壓； 數字電位器的元器件價格相對比較昂貴； 一般電磁鐵的電阻很小，
而電流很大，分壓不僅會降低效率，而且很難實現。因此，不采用該方案實現驅動功能。
方案二： 采用繼電器對電磁鐵進行開關控制， 通過開關的切換對擺桿的速度進行調整。
該方案的優點是電路較為簡單， 缺點是繼電器的響應時間慢、 機械結構易損壞、 壽命較短、
可靠性不高。因此，本系統不采用該方案實現驅動功能。
方案三：采用 L298N 芯片實現驅動功能。該芯片具有高電壓大電流特性的全橋驅動
芯片，它響應頻率高，帶有控制使能端，和較強的驅動能力，一片 L298N 芯片可以分別
控制兩個直流電磁鐵。 用該芯片作為電磁鐵的驅動模塊， 具有操作方便， 性能穩定的特點。
同時，由L298N芯片與單片機結合，可實現頻繁的無級快速啟動、制動和反轉等優點。
因此，本系統采用方案三實現驅動功能。
1.3輸入模塊
方案一：采用按鍵輸入。按鍵輸入操作簡單，電路原理簡單，成本較低，控制方便，
但是每一個按鍵占用一個I/O口，浪費資源，按鍵多時，使用不方便。因此，本系統不采
用該方案實現輸入功能。
方案二： 采用觸摸屏輸入。 觸摸屏可以根據菜單樣式來設置按鍵位置， 按鍵設置靈活，
便于操作，節約單片機I/O口。同時觸摸屏具有輸出界面色彩可調，視覺效果良好等特點。
綜合考慮本系統采用方案二的觸摸屏作為輸入模塊。
1.4顯示模塊
方案一：使用液晶顯示屏(LCD)顯示。液晶顯示屏具有輕薄短小、低耗電量、無輻射
危險，平面直角顯示、影像穩定不閃爍、可視面積大、畫面效果好、分辨率高、抗干擾能
力強等特點。 但液晶顯示屏是以點陣的模式顯示各種符號， 需要利用控制芯片創建字符庫，
編程工作量較大，控制器的資源占用較多，成本偏高，不易維護。同時，在使用時不能有
靜電干擾， 否則易燒壞液晶顯示屏的顯示芯片。 因此， 本系統不采用該方案實現顯示功能。
方案二：使用數碼管顯示。數碼管具有低能耗、低損耗、低壓、壽命長、對外界環境
要求低、精度較高、可靠性高、易于維護的特點。而且數碼管是采用BCD編碼顯示數字，
程序編譯容易，資源占用較少。但是數碼管只能顯示數字，顯示形式單一，視覺效果差。
因此，本系統不采用該方案實現顯示功能。
方案三：使用TFT彩屏顯示。TFT彩屏的特點主要有顯示畫面清晰，畫面效果良好，
無輻射危險，分辨率高，同時可以顯示 16 位真彩畫面，顯示圖片及其他顏色，畫面視覺
良好，可控性及編程簡單，使用方便。
綜合考慮本系統選擇方案三作為顯示模塊。
2 系統理論分析與計算
2.1系統總體分析
方案一：多個電磁鐵引力作用
如圖2.1所示，此系統的設計方案共用九個電磁鐵，分別進行控制，因此只要相應角
度的電磁鐵吸引永久磁鐵，就會得到相應的擺角，同時改變各個磁鐵吸引的時間和順序，
就能改變周期。同理，也可以同時設定角度和周期。
但設計要求角度的步進角為 5°，采用此方案得需要 17 塊電磁鐵，而適合此機械結
構的電磁鐵并不容易找到。同時，此方案擺角并不會很平滑，如同步進電機，一步一步擺
動，影響觀賞效果。雖然該方案的操作簡單，但相對較難滿足設計要求，此設計方案未被采用。
然而電磁鐵所給磁力的范圍并不是很廣，在 15°范圍內，所以在擺桿超過 15°時就
需要利用慣性使擺桿達到一定高度。當擺到最高角度時，便會向下擺動，在角度傳感器檢
測達到最低點時，電磁鐵再次給永久磁鐵一個動力，擺桿便會向左擺動，同時也會比上一
次擺動的高度要高，這樣反復在最低處施加斥力，擺桿就能越擺越高（如圖 2.2 所示） ，
當斥力最大時，此時所給的動能能夠讓擺桿擺到一個最大高度。
經過測試，該方案測得最大擺角可達到55°，滿足設計的最大45°擺角要求。因此，
采用方案二設計系統的運動裝置。
2.2角度控制
由受力分析可知，當電磁鐵給永久磁鐵最大斥力時，擺角能夠擺到 55°，當給不同
大小的斥力時，擺角就能擺到不同的角度。在最初以最大斥力讓擺桿首先起振擺動，同時
用角度傳感器 （電位器） 監測擺桿所擺到的角度， 當角度傳感器檢測超過所設定的角度時，
用PWM控制使電壓減小，電磁鐵所給動能也相應減小，從而使擺角逐漸減小。當小于指
定角度時，利用PWM控制輸出使斥力增大，動能增大，使擺角增大，最后系統經過調節
會輸出一個合適的電壓，使擺角恒定，從而達到角度控制的作用。
2.3周期控制
周期控制主要利用PWM控制技術來改變斥力大小控制擺桿的擺動時間，由于一個小
磁鐵磁場強度不能滿足設計需要，因此，用兩個小磁鐵進行輔助。首先利用中間磁鐵給擺
桿逐漸施力，使擺桿向右上擺，當達到中間磁鐵最大磁場范圍時，右邊小磁鐵作用，吸住
擺桿，延時一段時間后釋放擺桿，同時中間磁鐵給擺桿一個小小斥力，使擺桿慢慢下擺；
當達到最低點時，中間磁鐵再次逐漸施加斥力，使擺桿向左上擺，然后左邊小磁鐵作用，
延時一段時間釋放，慢慢達到最低點，完成一個周期的運動。因此，擺動周期可以通過改
變PWM變化的時間和輔助磁鐵吸住擺桿的時間設定。
2.4角度與周期綜合控制
角度與周期同時控制時，在系統設計的基礎上又加了第四個輔助磁鐵，首先使擺角擺
到指定角度略大一點的角度，此時它的周期大約在0.5s左右，當角度傳感器檢測到一個指
定角度（輔助磁鐵所能受到力的角度）輔助磁鐵四開始產生一個較小的斥力，使擺桿運動
速度慢慢減小，角度傳感器檢測到達到指定角度時，輔助磁鐵四會變成一個吸引力，吸住
擺桿，延時一段時間慢慢釋放，在經過最低點時，主磁鐵再次給擺桿一個動能，使擺桿擺
到所設角度，經過右邊小磁鐵稍微改變它的下降速度，再次擺到左指定角度，輔助磁鐵四
吸住，延時一段時間釋放，這樣來實現角度與周期綜合控制的要求。周期的時間主要取決
于輔助磁鐵四吸住擺桿的時間。
3 電路與程序設計
3.1電路的設計
3.1.1系統總體框圖
電磁控制運動裝置系統總體框圖如圖3.1所示。
3.1.2系統電路原理圖
電磁控制裝置系統Stm32f103單片機外圍電路、L298N驅動模塊、液晶屏電路和系統
電源模塊的電路原理圖見附錄1。
3.2程序的設計
3.2.1程序功能描述與設計思路
1. 程序功能描述
本系統利用直流電磁鐵對擺桿上的磁鐵產生吸引力和排斥力， 實現了對擺桿擺動角度
和擺動周期的綜合控制。擺桿擺動幅度可以在10°至45°內預設，預設步進度數為5°；
擺桿擺動周期可以在0.5s~2.0s內預設，步進周期為0.5s。并實現了上述范圍內擺幅與周期
綜合控制，平穩運行20s后可以用聲、光提示，并可以在5s內靜止在平衡點上。
2. 設計思路
本系統主要由控制模塊、驅動模塊、輸入模塊和顯示模塊四部分組成。系統主控芯片
部分采用STM32F103單片機，驅動模塊主要芯片采用L298N芯片，根據檢測擺桿運動速
度和位置角度傳感器反饋回來的數據，從而判斷出當前擺桿的周期和擺角，采用PID算法
控制一組直流電磁鐵，利用電磁鐵對磁鐵產生的排斥力和吸引力來完成預設的控制要求。
3.2.2程序流程圖
1. 主程序框圖
主程序框圖的設計如圖3.2所示。
4.3.2測試分析與結論
根據上述測試數據，可以得出以下結論：
(1)4個電磁鐵組成的動力系統配合角度傳感器來控制擺桿運動方向和擺動幅度，通過
角度傳感器的反饋值，可以對4個電磁鐵進行良好的控制，但是仍然有誤差，對所加的電
壓不能控制在較好的線性范圍變化
(2)本系統如果找到對周期或者擺幅影響的主要因素，單獨對周期、擺幅進行控制比較
簡單。
(3)綜合控制擺幅和周期，主要影響控制效果的變量往往相互矛盾(如希望周期大要求
中間磁鐵斥力小，兩邊磁鐵吸力大，而希望擺幅大則要求中間斥力大，兩邊吸力小)，往
往要研究新的控制方法才能達到設計要求，所以編程難度很大。
綜上所述，本設計器件選擇獨特，硬件結構與軟件設計相對比較復雜，基本達到設計
要求。
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2018-7-23 21:51 上傳
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