【摘要】本系统以单摆为控制对象，通过电磁控制方式，设计电路实现对周期性运动装置的运动幅度（摆角）和周期（频度）的控制。控制核心采用ATMEL公司的ATmega16A，电磁线圈驱动器采用L298，角度检测采用MMA7455重力加速度传感器，显示采用LCD12864。通过PWM来控制线圈电流大小调节磁场强度，从而实现单摆摆动摆角和周期的控制。
【关键词】电磁控制；单摆；ATmega16A；L298；角度传感器MMA7455
1.系统方案
本系统主要包括七大部分：控制器、角度传感模块、键盘输入模块、显示模块、线圈及驱动模块、声光提示模块、电源。系统构成如图1所示。
1.1 电磁线圈
电磁线圈是本运动装置的动力源，采用2个相同绕制的线圈产生驱动磁场。铁芯采用工业纯铁棒，0.35mm线径铜漆包线绕制，直径40mm*长度40mm，单线绕制，磁力大小取决于安匝数，即线圈电流和匝数的乘积。
1.2 控制器
采用ATmega16A单片机作为主控芯片。AT-mega16A是ATMEL公司的 8位系列单片机中的一款，应用极其广泛，具有如下特点：（1）高性能、低功耗；（2）先进的RISC结构；（3）16K字节的系统内可编程Flash，512字节的EEPROM，1K字节的SRAM；（4）JTAG 接口，可实现对Flash、EEPROM电线编程；（5）2个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，1个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器；（6）4通道PWM；（7）8路10位ADC；（8）两个可编程的串行USART，可工作于主机/从机模式的SPI 串行接口；（9）具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；（10）片内模拟比较器；（11）32个可编程的I/O口。
1.3 线圈驱动模块
采用L298驱动电磁线圈。L298是一款高压、大电流双全桥式驱动器，可以直接通过电源来调节输出电压，具有输出电压高（最高可达50V），可靠性高，占用空间小等特点。该芯片可以直接受控于单片机IO口提供的信号，因此，电路简单，控制方便。
1.4 角度传感模块
MMA7455 是一款数字输出（I2C/SPI）、低功耗、紧凑型电容式微机械三轴加速度计，具有信号调理、低通滤波器、温度补偿、自测、可配置通过中断引脚（INT1或INT2）检测0g、以及脉冲检测（用于快速运动检测）等功能。0g偏置和灵敏度是出厂配置，无需外部器件。客户可使用指定的0g寄存器和g-Select 量程选择对0g偏置进行校准，量程可通过命令选择3个加速度范围（2g/4g/8g）。该模块输出精确高，体积小，工作可靠，输出为数字量等特点。
1.5 键盘输入模块
设置6个独立按键，分别用于start/stop （启动/停止）、set（设置）、up（增）、down9减）、enter（确定）、back（返回）。
1.6 显示模块
采用12864汉字图形点阵液晶显示。12864液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192 个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。
2.原理分析
2.1 电磁控制原理
电磁控制采用PWM原理，通过PWM控制通过电磁铁的电流。
本系统的电磁控制电路的主要组成包括：PWM信号发生、L298驱动电路。由Atmega16A内部T/C2产生的固定的8位精度的PWM波作为驱动芯片L298的输入信号，通过L298控制电磁的通电情况来调节摆杆角度。电磁控制电路的框图如图2所示。
PWM原理：PWM是占空比不同的连续的方波。图3为典型的PWM脉宽调整波形。图3中：T是PWM波的周期；T1是高电平宽度；T1/T称为PWM波的占空比。调节和改变T1的宽度，即可改变PWM的占空比。当该PWM波通过一个积分器后，可以得到其输出的平均电压为：
2.2 角度测量原理
本系统角度测量利用的原理是重力加速度计转换成倾斜角的基本原理：即当加速度计倾斜角与加速度计3轴输出成一定对应关系。已知传感器的加速度大小，由两者的关系可以求出倾斜角。将MMA7455加速度测量模块固定在单摆上，并使之与单摆摆角面垂直。当帆板倾斜角发生变化时，MMA7455输出的加速度发生相应变化。
采用单轴（z轴）倾斜计算法来计算帆板的偏转角度。根据基本三角定理有：Z轴方向的重力投影等于重力的正弦分量。
在本题目中，摆板倾斜角与z轴输出加速度的关系如图4所示。即：
3.电路设计
3.1 单片机控制电路
AVR最小系统由ATmega16A单片机（如图5所示），ISP下载端口，晶振，复位电路及电源组成。
3.2 L298驱动电路
该电路为L298的接线电路（如图6所示）。本电路使能端（EN A和EN B）接高电平，通过控制输入IN1，IN2和IN3，IN4来控制电机。L298可以驱动两个电机，OUT1，OUT2为一个输出组，OUT3，OUT4为另一个输出组。本系统只要驱动一个电磁线圈，只要用到一个输出组。IN1，IN2控制OUT1，OUT2的输入电平。本系统将单片机产生的PWM波接电磁线圈的两端，使得用PWM来控制IN1和IN2。所以，PWM占空比不同，电磁周围的磁场强度也不一样。
3.3 角度测量电路
MMA7455是数字输出（如图7所示），有I2c和SPI两种总线可选，内部有AD，与主控芯片连接好，当改变传感器的倾斜角度会触发中断并向主控芯片发送变化的数据，主控芯片可以通过读取MMA7455不同寄存器的值来确定角度的改变。
3.4 键盘模块电路设计
键盘模块电路设计如图8所示。
3.5 LCD12864显示模块电路
LCD12864显示模块电路如图9所示。
3.6 声光提示模块电路设计
声光提示模块电路如图10所示。
5.后语
本装置以单摆作为控制对象，采用电磁方式实现摆幅和周期控制，为非接触式周期性运动装置控制提供了一种方案。实测数据表明控制误差稍大，可进一步通过改进电磁线圈绕制以及优化角度传感器MMA7455的较正算法得到降低。