2013 年全国大学生电子设计竞赛，电磁控制运动装置 （J 题），全国一等奖，论文
1 系统方案
本系统主要由控制模块、驱动模块、输入模块和显示模块四部分组成，下面分别对几
个模块进行论证和选择。
1.1控制模块
方案一：采用STC89C52单片机作为控制模块核心元件。STC89C52单片机是一种带
8K可反复擦写 FlashRom的可编程只读存储器，该芯片低电压，高性能 COMOS8 的微处
理器，该芯片兼容 MCS51 指令系统，32 个双向 I/O 口，256*8bit 内部 RAM，时钟频率
0~24MHz，2个串行中断，2个外部中断，2个定时器。由于STC89C52的存储只有8K，
运行频率相对较小，不能满足本系统的设计要求，因此不采用此方案。
方案二：采用STM12C5A单片机作为控制模块核心元件。该单片机兼容MCS51单片
机的指令系统，工作电压为 3.3~5.5V，时钟频率为 35MHz，片上集成 1280 字节 RAM，
通用I/O口40个，内部集成 MAX810专用复位电平，外部高速时钟，4个16位定时器，
两个时钟输出口，外部7路中段，STM12C5A单片机运行速度较8051快，比STM32F103
单片机慢，价格较 STM32F103 单片机便宜。因为该单片机应用于本系统存在内存不足，
I/O口引脚不够的缺点，所以不采用此方案。
方案三：采用 STM32F103 单片机作为控制模块核心元件。STM32F103 单片机采用
ARM 内核，时钟频率可达 72MHz，可高速运行，外接高速晶振，外部 100 个 I/O 口都可
以产生中断， 片内五个定时器， 内部集成 ADC， 温度传感器， 5~3.3V供电电压， 内部128K
程序存储。STM32F103单片机处理速度快，片内程序存储空间大，满足本系统控制要求。
因此，综合以上三种方案的比较，选择方案三完成系统控制模块的功能。
1.2驱动模块
方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电磁铁的分压，达到调压的目的。但是电阻
网络只能用于有级调压； 数字电位器的元器件价格相对比较昂贵； 一般电磁铁的电阻很小，
而电流很大，分压不仅会降低效率，而且很难实现。因此，不采用该方案实现驱动功能。
方案二： 采用继电器对电磁铁进行开关控制， 通过开关的切换对摆杆的速度进行调整。
该方案的优点是电路较为简单， 缺点是继电器的响应时间慢、 机械结构易损坏、 寿命较短、
可靠性不高。因此，本系统不采用该方案实现驱动功能。
方案三：采用 L298N 芯片实现驱动功能。该芯片具有高电压大电流特性的全桥驱动
芯片，它响应频率高，带有控制使能端，和较强的驱动能力，一片 L298N 芯片可以分别
控制两个直流电磁铁。 用该芯片作为电磁铁的驱动模块， 具有操作方便， 性能稳定的特点。
同时，由L298N芯片与单片机结合，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。
因此，本系统采用方案三实现驱动功能。
1.3输入模块
方案一：采用按键输入。按键输入操作简单，电路原理简单，成本较低，控制方便，
但是每一个按键占用一个I/O口，浪费资源，按键多时，使用不方便。因此，本系统不采
用该方案实现输入功能。
方案二： 采用触摸屏输入。 触摸屏可以根据菜单样式来设置按键位置， 按键设置灵活，
便于操作，节约单片机I/O口。同时触摸屏具有输出界面色彩可调，视觉效果良好等特点。
综合考虑本系统采用方案二的触摸屏作为输入模块。
1.4显示模块
方案一：使用液晶显示屏(LCD)显示。液晶显示屏具有轻薄短小、低耗电量、无辐射
危险，平面直角显示、影像稳定不闪烁、可视面积大、画面效果好、分辨率高、抗干扰能
力强等特点。 但液晶显示屏是以点阵的模式显示各种符号， 需要利用控制芯片创建字符库，
编程工作量较大，控制器的资源占用较多，成本偏高，不易维护。同时，在使用时不能有
静电干扰， 否则易烧坏液晶显示屏的显示芯片。 因此， 本系统不采用该方案实现显示功能。
方案二：使用数码管显示。数码管具有低能耗、低损耗、低压、寿命长、对外界环境
要求低、精度较高、可靠性高、易于维护的特点。而且数码管是采用BCD编码显示数字，
程序编译容易，资源占用较少。但是数码管只能显示数字，显示形式单一，视觉效果差。
因此，本系统不采用该方案实现显示功能。
方案三：使用TFT彩屏显示。TFT彩屏的特点主要有显示画面清晰，画面效果良好，
无辐射危险，分辨率高，同时可以显示 16 位真彩画面，显示图片及其他颜色，画面视觉
良好，可控性及编程简单，使用方便。
综合考虑本系统选择方案三作为显示模块。
2 系统理论分析与计算
2.1系统总体分析
方案一：多个电磁铁引力作用
如图2.1所示，此系统的设计方案共用九个电磁铁，分别进行控制，因此只要相应角
度的电磁铁吸引永久磁铁，就会得到相应的摆角，同时改变各个磁铁吸引的时间和顺序，
就能改变周期。同理，也可以同时设定角度和周期。
但设计要求角度的步进角为 5°，采用此方案得需要 17 块电磁铁，而适合此机械结
构的电磁铁并不容易找到。同时，此方案摆角并不会很平滑，如同步进电机，一步一步摆
动，影响观赏效果。虽然该方案的操作简单，但相对较难满足设计要求，此设计方案未被采用。
然而电磁铁所给磁力的范围并不是很广，在 15°范围内，所以在摆杆超过 15°时就
需要利用惯性使摆杆达到一定高度。当摆到最高角度时，便会向下摆动，在角度传感器检
测达到最低点时，电磁铁再次给永久磁铁一个动力，摆杆便会向左摆动，同时也会比上一
次摆动的高度要高，这样反复在最低处施加斥力，摆杆就能越摆越高（如图 2.2 所示） ，
当斥力最大时，此时所给的动能能够让摆杆摆到一个最大高度。
经过测试，该方案测得最大摆角可达到55°，满足设计的最大45°摆角要求。因此，
采用方案二设计系统的运动装置。
2.2角度控制
由受力分析可知，当电磁铁给永久磁铁最大斥力时，摆角能够摆到 55°，当给不同
大小的斥力时，摆角就能摆到不同的角度。在最初以最大斥力让摆杆首先起振摆动，同时
用角度传感器 （电位器） 监测摆杆所摆到的角度， 当角度传感器检测超过所设定的角度时，
用PWM控制使电压减小，电磁铁所给动能也相应减小，从而使摆角逐渐减小。当小于指
定角度时，利用PWM控制输出使斥力增大，动能增大，使摆角增大，最后系统经过调节
会输出一个合适的电压，使摆角恒定，从而达到角度控制的作用。
2.3周期控制
周期控制主要利用PWM控制技术来改变斥力大小控制摆杆的摆动时间，由于一个小
磁铁磁场强度不能满足设计需要，因此，用两个小磁铁进行辅助。首先利用中间磁铁给摆
杆逐渐施力，使摆杆向右上摆，当达到中间磁铁最大磁场范围时，右边小磁铁作用，吸住
摆杆，延时一段时间后释放摆杆，同时中间磁铁给摆杆一个小小斥力，使摆杆慢慢下摆；
当达到最低点时，中间磁铁再次逐渐施加斥力，使摆杆向左上摆，然后左边小磁铁作用，
延时一段时间释放，慢慢达到最低点，完成一个周期的运动。因此，摆动周期可以通过改
变PWM变化的时间和辅助磁铁吸住摆杆的时间设定。
2.4角度与周期综合控制
角度与周期同时控制时，在系统设计的基础上又加了第四个辅助磁铁，首先使摆角摆
到指定角度略大一点的角度，此时它的周期大约在0.5s左右，当角度传感器检测到一个指
定角度（辅助磁铁所能受到力的角度）辅助磁铁四开始产生一个较小的斥力，使摆杆运动
速度慢慢减小，角度传感器检测到达到指定角度时，辅助磁铁四会变成一个吸引力，吸住
摆杆，延时一段时间慢慢释放，在经过最低点时，主磁铁再次给摆杆一个动能，使摆杆摆
到所设角度，经过右边小磁铁稍微改变它的下降速度，再次摆到左指定角度，辅助磁铁四
吸住，延时一段时间释放，这样来实现角度与周期综合控制的要求。周期的时间主要取决
于辅助磁铁四吸住摆杆的时间。
3 电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图
电磁控制运动装置系统总体框图如图3.1所示。
3.1.2系统电路原理图
电磁控制装置系统Stm32f103单片机外围电路、L298N驱动模块、液晶屏电路和系统
电源模块的电路原理图见附录1。
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
1. 程序功能描述
本系统利用直流电磁铁对摆杆上的磁铁产生吸引力和排斥力， 实现了对摆杆摆动角度
和摆动周期的综合控制。摆杆摆动幅度可以在10°至45°内预设，预设步进度数为5°；
摆杆摆动周期可以在0.5s~2.0s内预设，步进周期为0.5s。并实现了上述范围内摆幅与周期
综合控制，平稳运行20s后可以用声、光提示，并可以在5s内静止在平衡点上。
2. 设计思路
本系统主要由控制模块、驱动模块、输入模块和显示模块四部分组成。系统主控芯片
部分采用STM32F103单片机，驱动模块主要芯片采用L298N芯片，根据检测摆杆运动速
度和位置角度传感器反馈回来的数据，从而判断出当前摆杆的周期和摆角，采用PID算法
控制一组直流电磁铁，利用电磁铁对磁铁产生的排斥力和吸引力来完成预设的控制要求。
3.2.2程序流程图
1. 主程序框图
主程序框图的设计如图3.2所示。
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据，可以得出以下结论：
(1)4个电磁铁组成的动力系统配合角度传感器来控制摆杆运动方向和摆动幅度，通过
角度传感器的反馈值，可以对4个电磁铁进行良好的控制，但是仍然有误差，对所加的电
压不能控制在较好的线性范围变化
(2)本系统如果找到对周期或者摆幅影响的主要因素，单独对周期、摆幅进行控制比较
简单。
(3)综合控制摆幅和周期，主要影响控制效果的变量往往相互矛盾(如希望周期大要求
中间磁铁斥力小，两边磁铁吸力大，而希望摆幅大则要求中间斥力大，两边吸力小)，往
往要研究新的控制方法才能达到设计要求，所以编程难度很大。
综上所述，本设计器件选择独特，硬件结构与软件设计相对比较复杂，基本达到设计
要求。
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