介绍
本系统主要由控制模块、驱动模块、输入模块、检测模块和显示模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1 控制模块的选择
采用STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟、单机器周期的单片机，是高速、低功耗、超强干扰的新一代8051单片机。指令代码完全兼容传统的8051，而且速度快8～12倍，内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位ACD转换，对电机控制效果好，能在强干扰场合工作。
1.2 驱动模块的选择
步进电机由电脉冲控制，控制量为转角（即角位移），驱动信号是方波脉冲。无需编码器等反馈器件即可实现转速与转角（即位置）的控制（即开环控制），这是步进电机最大的特点。所以转动平滑性不如直流电机。
1.3 输入模块的论证与选择
采用触摸屏，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。
1.4 检测模块的选择
陀螺仪进行角度检测，将机械转动或角度变化量转化为电信号，无触点的测量转动角度，输出数字电压信号。陀螺仪传感器体积小、成本低 可靠性高。内部无转动部件，全固态装置，抗大过载冲击，工作寿命长、大量程适于高转速大g值的场合，易于数字化、智能化。可数字输出，温度补偿，零位校正等。
利用光电对管检测小球信号从而确定小球在导轨内的位置。光电对管传感器的灵敏度非常高，能够很精确的检测小球的位置。
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。
2 系统理论分析与计算
如图1所示，某一状态下，小球的受力分析。
如图1所示，小球受自身的重力和导轨对小球的支持力，两个力的合力使小球沿负角度方向向下运动。同理，当小球导轨在电机拉力作用下向上倾斜时，小球沿正角度方向向下运动。
2.1 角度检测及导轨控制方法
当陀螺仪检测到导轨负角度变化时，步进电机快速给导轨施加一个向上的拉力，使导轨向上运动并检测导轨角度，直到导轨恢复到平衡位置。同理， 当陀螺仪检测到导轨正角度变化时，步进电机反转，使导轨向下运动并检测导轨角度直到导轨恢复到平衡位置。调整过程可通过小球的运动观测导轨位置。
2.2 位置检测
利用光电对管传感器检测小球信号对光电对管进行编码，测定小球位置，当小球通过当前光电对管时，光电对管会给单片机一个负脉冲，可以确定小球当前的位置，同时确定小球此时的运动方向。位置检测遵循PID 算法，公式如下：
增量PID：Δu（k）=Kp（ek-ek-1）+Kiek+Kd（ek-ek-1+ek-2）
ek表示当前误差；Kp表示比例系数；Ki表示积分常数；Kd表示微分常数；
2.3 测试方案与测试结果
用陀螺仪检测导轨位置，并用量角器检测导轨角度是否在要求范围内；位置测试：轨上安装光电对管检测小球位置，对其进行编码，再通过单片机采集光电对管信号检测小球的位置。测试条件：硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。
3 总结
小球滚动控制系统的设计难度主方面要是利用合适的传感器灵敏的检测到小球信号，关键在于传感器的选取。其次，软件方面的编程，要达到角度和位置的检测和控制，还要避免或解决一些对小球平衡造成的干扰。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。
作者简介：康金（1978-），男，河北平泉人，研究方向：电子电路的开发和应用、嵌入式系统应用。