上海羊羽卓进出口贸易有限公司用单片机设计自由摆的平板控制系统
1 自由摆的平板系统基本组成原理
根据自由摆的平板控制系统的设计要求，电机控制平板，当摆杆移动时要保持平板的平衡，因此需要采用传感器获得摆杆移动的角度值，再通过电机控制平板旋转相应的角度，从而保持平板的水平位置。其基本组成框图原理如下：
采用日本村田公司的ENV05G陀螺传感器，安装于平板，以获得平板的位置和姿态信息。
当摆杆移动时，平板的水平位置会发生变化，此信号通过调理电路输入到AD0809转换器，单片机获得摆杆的变化信息，控制TA8435芯片，使摆杆上的电机也作相应的旋转，及时调整平板变化位置，从而使平板基本保持水平的位置。
2 硬件电路的设计
硬件电路设计包括：传感器与信号采集电路，单片机控制电机电路。
其输出到传感器外围调理电路，是一个由LM324运放组成的二阶压控源RC低通滤波器，信号从同相端输入，具有较高的输入阻抗，放大器的增益为：Auf=1+Rf/R1=1+33k/56k=1.589。输出信号首先经R1，R3分压，分压比为：56/(33+56)=0.629调理电路放大倍数为：0.629*1.589=1，传感器信号调理电路输出即为角度传感器能够输出的角度范围值。设计中将角度传感器放在摆杆上，从静止开始来回旋转，即可得到摆杆的实时角速度值，再通过软件处理输出角度值。
由于陀螺仪传感器输出为模拟信号，处理器单片机要想使用其提供的信息，必须进行A/D转换，把模拟信号转变为数字信号，从而实时得到角速度值。将运算放大器Vout输入给0809的IN0，将电压模拟信号转变为与之对应相等的数字信号，输入给单片机进行数据处理。OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
AD0809的数据输出公式为：Vout=Vin*255/5=Vin*51,其中Vin为输入模拟电压，Vout为输出数据。ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。CLK为时钟输入信号线。ADC0809内部无时钟电路，本设计中用单片机给ADC0809提供时钟信号，减少硬件电路。将A/D转换输出OUT口与单片机P2口相连，单片机接收的输入数字角速度量。
A/D转换，单片机电路
2 单片机控制步进电机电路的设计
电机选择42BYGHW208型步进电机，此电机是两相四线制，体型较小，力矩可以满足要求。步进电机整步工作情况下，距角为1.8°，所以一个脉冲使电机转动1.8°。单片机电路，AD换后的数字信号交由单片机处理。由θ传=θ电机 ，通过控制步进电机输入脉冲频率控制其转动的角度，即可以基本实现要求，使平板在摆杆一个周期内转一圈，五个周期转五圈，也可以保持电机角度与摆杆角度相等，以此实现基本要求，使平板保持水平，实现硬币不能掉下的任务。
自由摆得平板控制软件设计
1 使平板随着摆杆的摆动而旋转：预计摆杆摆动一个周期所需的时间t，以此作为平板旋转一周的时间，则电机的角速度为360/t deg/s，因为电机步进角为1.8度，故所需脉冲频率360/(t*1.8)。以此计算出定时器的中断次数N，即可控制平板随着摆杆的摆动而旋转，摆杆摆一个周期，平板旋转一周。
2 使平板保持水平：开始——传感器电压增加——单片机控制电机左转，根据传感器输出电压幅值大小确定定时器定时时间，从而确定频率，从而控制步进电机的转速。
3 用手推摆杆至50度，激光笔照射程序：推动摆杆至某一固定位置，由三角形角度关系及正余弦定理确定电机所需旋转角度，从而确定电机所需脉冲数目。由单片机产生100HZ的定时中断，由程序设置中断的数目，从而控制步进电机转过的角度。
实际测试结果与分析
1 测试器材
量角器、硬币、激光笔、卷尺、靶纸（A4打印纸）
2 测试方法
测试方法：将摆杆拉至某一规定位置，观察平板运动，观察平板上的硬币数目，观察激光灯打在靶纸上的位置，逐渐调整程序，减小误差。
基本要求测试：先通过简单的目测大致判断出自由摆与平台的转动一周的周期是否相等。对程序进行初步的调整然后使用秒表分别测出自由摆与平台转动一周的时间是否相等。再次对程序进行仔细的调整，使得自由摆转动一周时平台也恰巧转动一周。
结果：初步调整时，对电机的控制不精确使得转动误差较大，经过仔细调整平台与自由摆基本上同步。
接通电源，摇晃自由摆，并观察角度传感器读数是否正确，若正确则接上电机，用手推动摆杆至30到45度，调整平板角度，在平板稳定中心放置一枚１元硬币，启动后放开摆杆让其自由摆动。在摆杆滑动过程中，要求控制平板状态，使硬币在5个摆动周期中不从平板上滑落。观察是否会滑离平板的中心位置。
步进电机反应太慢导致硬币滑落，经仔细研究摆动原理并更改程序终于使一枚硬币平稳的放在平台中央未见滑落。完成了要求二。
接通电源，先检测角度传感器是否正常，若正确则接上电机，用手推动摆杆至45到60度，调整平板角度，在平板中心稳定叠放8枚1元硬币。启动后放开摆杆让其自由摆动。在摆杆摆动过程中，要求控制平板状态使硬币在摆杆的5个摆动周期中不从平板滑落，观察是否有硬币掉落以及是否保持叠放状态。
由于硬币增多导致平板负重增加，并且硬币间容易滑落导致失败。经过长时间反复思考并修改程序终于能够基本实现要求三。
结语
使用51单片机结合相应的传感器，数据采集和电机控制实现自由摆的平板控制，电路实现简单可靠，传感器数据采集与处理方法实用，是解决自由摆的平板控制一种方法，取得较好效果。
（编自《电气技术》，原文标题为“基于自由摆的平板控制系统”，作者为王宁、段卓琳。）
便携有个性，功能强大，可配戴在手指上的键盘鼠标
中车永济电机有限公司、河南大学物理与电子学院的研究人员陶崇勃、侯卫周，在2019年《电气技术》增刊1中撰文（论文标题为“一款指尖压敏可配戴式键盘鼠标”）指出，在信息科技高速发展的时代下，可实现键盘和鼠标绝大部分功能的智能化可配戴便携式电子产品能很好满足用户的个性化需求。
本文通过对用户键盘和鼠标的调查与分析发现，传统键盘和鼠标存在不易携带、占用空间过大以及输入数据有较大局限性等不足。本作品采用了可配戴式便携外观设计，集合键盘和鼠标于一体，结合手机九宫格输入法，将26个英文字母及鼠标左右键在10个手指上进行有机的分配，实现键盘和鼠标的绝大部分功能，从而弥补了传统键盘和鼠标的不足。通过该作品得出结论，在信息科技高速发展的时代下，智能化可配戴便携式电子产品能很好满足用户的个性化需求，市场前景广阔。
目前市场上的指尖压敏鼠标极少。本设计采用可配戴式且便携式的指尖压敏制作了一款键盘鼠标。该键盘鼠标的使用将会代替传统键盘一些繁琐指令，使电子计算机的操作更加方便简捷。
该款指尖压敏可配戴式的键盘鼠标设计结合手机九宫格的输入方法，依据不同手指的敲击次数来输入10个数字、26个英文字母及其大小写等，能较好地满足用户个性化设计的需求。
1 工作原理
该款指尖压敏可配戴式键盘鼠标主要由USB接收板和主控板组成。下面主要介绍这两块板的工作原理。
1.1 USB接收板和主控板工作原理
USB接收板工作原理：USB接收板通过USB协议控制电脑键盘鼠标的操作，其中USB接收板上的蓝牙模块负责将手表模块采集到的操作数据通过无线接收，并将数据传递给USB接收板上的STC15F2K60S2单片机，STC15F2K60S2单片机通过蓝牙进行数据接收，USB接收板利用PDIUSBD12芯片用规范的USB协议与电脑进行通信，STC15F2K60S2单片机负责将接收到的数据进行整理并控制改变关键数据，通过USB协议将操作数据进行转换，再向电脑发送键盘鼠标上的命令。
主控板工作原理：主控板上的OLED用来实时显示时间。在人按压压敏传感器后，所检测到的按压信息被传递给主控板，压敏传感器映射九宫格输入法中的8个按键的字母排列，并获取陀螺仪的速度信息，将其传递给主控板上的单片机，通过陀螺仪的速度控制电脑上鼠标光标移动，主控板上STC15F2K60S2单片机将接收到的传感器的按压信息和陀螺仪的移动信息进行转换，并控制主控板上的蓝牙，将获取到的各种传感器信息通过无线传输给USB接收板。
1.2 硬件模块
本设计作品包括显示部分、软硬件的转换电路、检测人体多种加速度变化、近距离的无线、发射、数据存储和逻辑传输等部分。所用电路模块主要包括MPU6050加速度传感器、OLED显示屏、STC15F2K60S2单片机、PDIUSBD12芯片和HC-05蓝牙。
2 电路设计
2.1模块设计
基于以上所述的USB接收板和主控板的工作原理，利用各个模块信息传输途径进行电路设计。
1）MPU6050加速度传感器：①具有数字运动处理功能；②感受加速度并转换成可用输出信号；③集成可程序控制，测量范围为±250°/s、±500°/s、±1000°/s与±2000°/s的3轴角速度感测器，范围为±2g、±4g、±8g和±16g的3轴加速度传感器。2）OLED显示屏：显示实时时间。3）STC15F2K60S2单片机：SPI通信，串口通信，GPIO。①SPI与陀螺仪通信，获取加速度与角度信息；②串口通信用于主控板和USB接收板的通信；③GPIO用于获取按键信号。4）PDIUSBD12芯片：内部集成有串行接口引擎（SIE）、320 b FIFO存储器、收发器（transceiver）和电压调节。5）HC-05蓝牙：当模块处于自动连接工作模式时，用于主控板和USB接收板之间的无线数据通信。2.2 硬件电路设计
主控板电路如图1所示。STC15在此作为主控芯片，与陀螺仪和按键相连，轮询按钮被按下的情况。当按钮被按下时，将信号通过蓝牙发送给USB接收板，并且以固定的频率将陀螺仪的速度数据发送至USB接收板。
图1 主控板电路
USB接收电路如图2所示。STC15单片机与USBD12芯片、蓝牙模块相连。作为核心控制芯片，USBD12是单片机与电脑通信的桥梁，负责把电脑发送的USB协议数据转发给STC15，并将STC15的应答数据转发给电脑。蓝牙模块负责接收主控板的用户动作数据，STC15将其处理后通过USBD12控制电脑的鼠标光标和键盘。
图2 USB接收电路
3 组装与调试
3.1 组装及调试
组装主要包括两部分：①硬件电路板的设计与功能测试；②系统外观模型的搭建。
在完成电路设计与焊接的基础上，首先对电路板进行功能测试，通过测试之后将系统按照预期的外观设计进行组装，对信号线处理：
①将从主控板上引出的两排主控信号线使用软排线进行连接，并且采用即拔即插的方式，方便用户配戴；②根据设计模型，从软排线的另一端将信号线分别引到双手的每根手指，与手指端传感器进行连接，通过指尖按压将信号传输至主控板；③对主板手表模型进行3D模型设计与搭建，此模型可按需求进行个性化设计。3.2 作品
USB接收模块如图3所示。最终设计的作品实物如图4所示。
图3 USB接收模块
图4 作品实物图
3.3 调试中出现的问题
在对该作品不断调试的过程中，出现的问题如下：
1）向MCU下载程序后，单片机工作出现了异常现象。在将USB接收板插入电脑后，电脑显示为“无法识别USB设备”。2）在陀螺仪工作进行接收数据时，数据异常。3）按键检测问题：一直检测为“按下”状态，有时会将“未按下”状态识别为“按下”。4）按键预设功能与实际按下功能不符。5）在工作一段时间后，USB模块向电脑发送乱码。6）USB模块与主控板无法进行通信。7）程序代码太大，超过ROM空间，无法下载。3.4 问题解决方案
针对以上调试程序中所遇到的问题，不断进行测试，最终制作出了较为完美的作品。以下为上述问题的解决方案。
1）程序逻辑错误，重新检查USB模块向主机发送的数据，观测数据，并进行程序修改，再多次与电脑进行连接，显示正常。2）检查连线问题，若连线正确，则更正SPI协议实现的代码。3）测量电源电压，部分原因是电压过低造成按键检测错误，在程序中加入延迟消抖。4）部分引线与传感器连接错误，对程序中按键定义进行重新修改。5）首先检测电源电压是否正常，也可能为串口传输存在出错的几率，在其中加入校验字节后便可正常传输。6）检查蓝牙是否连接完成，如果连接完成，可能是串口未开的原因。7）对程序部分指令进行适当优化。3.5 升级和包装
1）传感器和单片机的升级
（1）传感器。本设计最初采用的是轻触按键传感器，通过资料搜集，发现了更加实用的压敏传感器。对于鼠标光标的控制，本设计采用了MPU6050传感器，它能很好地获取手掌移动信息，从而准确地控制鼠标光标的移动。（2）单片机。本设计第一代产品采用的是插针式的51单片机，后考虑要把产品做的更小而采用了贴片式的STC15单片机。15单片机相比于51单片机，其性能更加优越。2）包装
通过3D画图设计了本作品的外包装，并通过3D打印将模型打印出来进行包装。对主控板进行包装是为了获得更佳的体验感，将电源隐藏在塑料壳内部，如图4所示。对于每个手指上的指圈，为更利于配戴，利用中通的软管将引线进行隐藏，得到了更简洁的外观，凸显作品特色。
4 软件流程设计
在本作品的软件设计中，USB接收板程序流程和主控板程序流程分别如图5和图6所示。
图5 USB接收板程序流程图
图6 主控板程序流程图
5 结论
本作品通过采用MPU6050传感器及压敏电阻传感器进行智能化数据采集，对手指运动产生的压力信号进行识别，结合手机九宫格的输入法，可以实现将26个英文字母及鼠标左右键在10个手指上进行有机的分配。同时对传统键盘鼠标进行外观个性化设计，实现便携式和可配戴式，不受使用场合的限制，还可使键盘键位宏定义可变，演变为多种设计，满足现代社会用户的个性化需求。
相关问答
单片机陀螺仪 作用?现在的智能终端已经大面积使用,之前因为成本较高,普遍用在飞机、航母及大型运作设备上,就用现在的智能手机来研究下陀螺仪吧,之后还会介绍清楚陀螺仪的特性,...
以ADXRS300和ADIS16255两款 陀螺仪 为测量芯片】作业帮[最佳回答]上面是机翻的~要获得满意的翻译,我建议以后你可把这段文分成2份,每份出40分,就会有很多人帮你人工译的.这是我个人的经验,因为我发现那些一大段的文...
9s12xs128 单片机 哪些引脚连接 陀螺仪 ?9S12XS128单片机有很多个引脚,但是与陀螺仪相关的主要有以下几个引脚:1.SPI引脚:SPI是指串行外设接口,它提供了高速的串行数据传输能力,可以连接陀螺仪输...
硬盘是无刷电机,三根线的,我想用它电机做个 陀螺仪 -ZOL问答1,可以用单片机做一个移相电路来实现2,可用光驱上的驱动芯片来驱动。要无霍尔那种才可以的,光驱上的芯片只需要短接相应信号线即可驱动三相电机。三线的硬盘...
天文望远镜电控系统原理?天文望远镜电控系统主要是通过电子技术和计算机技术实现的望远镜的自动控制以及天体观测和数据处理等功能,采用了多种传感器和控制器实现对望远镜各部分的精密...
两轮平衡车如何保证不倒的? - 热心网友万某某 的回答 - 懂得平衡车涉及到知识有单片机,自动控制原理,模数电等。说起来就复杂了原理很简单,内置陀螺仪和加速度计,通过算法获得倾斜角,感应到向前倾斜了就向前...
学自动化的学长学姐能给点考研选方向的经验建议吗? 申请方读研选择学校时还是要把学校的名气放第一位,但是这个学校的该专业也不要太差,起码要有博士点。例如,北大的自动化就不要报,实在太差了。机器人方面,...
为什么感觉在Linux内核中X86 Linux比ARM Linux正宗?无论开发还是测试,x86平台都更方便。当然,linux也可以跑在嵌入式上,但是由于嵌入式设备太多了,比如五花八门的手机硬件(陀螺仪,GPS等等),linux很难做出比...
平衡车是哪个国家发明的?市场上主要有独轮和双轮两类。其运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”(DynamicStabilization)的基本原理上。利用车体内部的陀螺仪和加速度传感器,来...
不航拍，想做个四轴飞行器，需要用到什么硬件?首先你是一个通讯专业的学生,你可以完完全全自己动手设计硬件,编写代码做一个西轴飞行器。首先说硬件,有两种方案。第一种,网上有成品硬件方案。如烈火四轴...
