承载平台平衡调整系统报告.doc

承载平台平衡调整系统报告摘要: 本设计利用两片单片机at89s52作为控制核心，单片机2控制4台步进电机转动，进而控制伸缩杆来调节承载平台的倾斜角度。倾斜角度由角度传感器测得的电压经角度公式计算得出，并通过a/d转换送入单片机1；单片机1实时检测平台在长、宽两个方向的倾斜角，并通过液晶显示器显示角度值。平台的倾斜角度可以在030度之间任意设置，并能在15秒内回复到平衡状态。而且平台具有最大1kg的承重能力。 关键词: 平台 平衡 伸缩杆 角度传感器 1.方案的论证与选择1.1 总体方案的论证与选择方案一：采用各类数字电路组成承载平台平衡调整系统，对各电路进行控制与处理。此方案电路复杂，灵敏度差，效率低，不利于平台倾斜角度的控制。方案二：采用单片机作为控制中心，通过控制步进电机的转动来调整平台的倾斜角度。此系统采用软件来解决硬件电路部分，使整个系统简洁、灵活、稳定，并以最简洁的方式实现题目所要求的各项功能。因此，使用方案二。1.2控制电机的选择方案一：采用步进电机，步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移的机电执行元件。控制步进电机的输入脉冲数量，频率及各项绕组的接通顺序，可以得到各种需要的运行特性。尤其与单片机相连，体现了更大的优越性。方案二：采用直流电机，直流电动机具有良好的启动特性和调速特性。由于步进电机的输入脉冲与其转动角度之间具有严格的对应关系，控制精度高，但是直流电机的转速较高，转角测量困难，尤其是针对小功率直流电机，必须加装转速传感器才能较为准确的测量其转速。而且直流电机在断电时存在机械惯性，不利于对平台角度的精确测量。因此，使用方案一。1.3 传感器的选择 方案一：采用角度传感器信号调理器uzz9000和磁阻式传感器kmz41构成的电压输出式角度检测电路。uzz900与kmz41连接，能够将磁阻式传感器kmz41输出地2个有相位差的正弦信号转换成线性电压输出信号。uzz900的输出电压与角度成线性关系。但是难以控制线性电压的输出，两个输入信号偏移的调整也比较困难。方案二：采用角度传感器mma7260q来实现角度测量，此传感器测量简便，精度较高，灵敏度非常好。所以，使用方案二。1.4 伸缩杆的选择方案一：采用市面上卖的伸缩杆，长度几米左右，但是不能利用步进电机来控制，所以不能满足实验要求。方案二：采用自己制作的伸缩杆，可以利用电机来控制它的伸缩，以实现载重平台的倾斜，达到实验要求。此方案使用起来比较简便、易行。2系统结构框图单片机2传感器承重平台步进电机a/d转换显示键盘单片机1 图1 系统结构框图说明：此设计利用键盘设定倾斜方向和倾斜角度，由单片机控制步进电机的转动来控制伸缩杆的伸缩，从而使得承载平台的倾角发生变化，再利用a/d转换，将角度传感器的输出电压转化成角度值送入单片机，由单片机控制液晶显示器显示平台的倾斜角。3硬件电路的设计3.1电机驱动电路的设计步进电机使用的驱动芯片为uln2003a，它是集电极开路输出功率反相器，并且每个输出端都有一个连接到共同端的二极管，为断电后的电机绕组提供一个放电回路，起放电保护作用。步进电机驱动电路如图2所示： 图2 电机驱动电路 本设计中使用四台步进电机分别控制四根伸缩杆，每台电机由一个驱动电路供电，电源采用自制电源。3.2 倾角检测原理倾角检测采用mma7260q来实现，mma7260q三轴小量程加速传感器是检测物体运动和方向的传感器，它根据物体运动和方向的变化输出相应的电压值 。当 平台处于水平状态时，其输出电压为1.65v.如果沿着某一方向活动，或者受到重力作用，其输出电压就会根据其运动方向以及设定的灵敏度而改变。用a/d转换器读取此输出信号，就可以检测平台的倾角。其电路图如图3所示。 图3 传感器电路其引脚功能如下:1：z z轴方向电压输出 2：y y轴方向电压输出 3：x x轴方向电压输出 4：s1 传感器灵敏度选择信号 5：s2 传感器灵敏度选择信号 6：3.3v 输入电压，同时可以接受到单片机a/d参考电压端 7：5v 电源输入8：gnd 地 9：sl 传感器休眠与否选择 10：gnd 地 默认s1,s2开关与灵敏度的关系s1 s2加速范围（g）灵敏度（mv/g）r1r2正负1.5 800 r3 r2 正负2.0 600 r1 r4 正负4.0 300 r3 r4正负6.0 200此次设计采用灵敏度为800mv/g的默认情况。x,y,z轴的输出电压为vout，则输出电压与轴的角度关系为 即测得的角度为：voffset为无重力作用下的输出电压即1.65v。角度就是x,y,z与水平方向的夹角。3.3 调平算法 其流程图如下： 图4 调平流程图原理：开始通过键盘设置角度和转动轴，设置后单片机1会给单片机2一个低电平信号，单片机2根据给定的信号来控制电机的转动。若设置沿长边倾斜，则单片机2会控制支撑平台一边宽的两个伸缩杆上升，另一边宽的两个伸缩杆下降，以便达到设定的角度。如设置沿宽边倾斜，则道理与沿宽边相同。若设置沿任意角度，则平台对顶角的两个伸缩杆向相反方向运动。电机在运动过程中，单片机1实时检测平台在长、宽两个方向的倾斜角，并通过液晶显示器显示角度值，倾斜角度由传感器检测的x轴和y轴电压通过角度转换公式得来。当传感器检测到按键所设定的角度时，单片机2控制电机停止转动。再通过一个按键来恢复平台的角度。当按键按下时单片机2会控制电机转动，原来的伸缩杆沿相反方向运动，平台逐渐恢复平衡，直到传感器检测到零时，单片机2控制电机停止转动，平台达到平衡状态。3.4 供电电源的设计 at89s52单片机使用+5v电源供电，因此本设计采用lm7805三端稳压器构成+5v直流稳压电源，电路结构如图4所示。利用变压器、整流桥和滤波电容将220v市电转换成直流电，再由lm7805实现+5v稳压输出。 图5 +5v电源 4.软件部分设计程序流程图 图6 程序流程图说明：在键盘中输入转动的角度，以及转轴的选择，同时单片机1控制显示器不断地进行扫描，将检测到平台的角度显示出来，单片机2通过比较判断设定的角度和测得的角度来控制电机的转向，直到平台出现设定的角度，单片机2控制电机停止转动。按下调平键，则平台开始恢复平衡，直到角度传感器检测到零则电机停止转动：在平台上放置两个传感器，分别将两个传感器的x轴，y轴电压输出经a/d转换并带入角度公式求出测得的角度值，由单片机1控制将角度在显示器上显示出来。5.实际测试 5.1 测量仪器： 直尺，量角器，秒表5.2 测量方法： 平台转过一定角度时，用量角器和直尺来测量平台的倾斜角度，与显示器显示的角度值相比较，可得出误差值，即测量精度。 5.3 测量结果：表5.3.1 平台沿x轴倾斜设定的角度 4 8 12 1620传感器检测到的角度 实际测量的角度 误差 调平时间表5.3.2 平台沿y轴倾斜设定的角度 4 8 12 16 20传感器检测到的角度 实际测量的角度 误差 调平时间5.4 测量结果分析由实验数据可知，平台沿x和y轴倾斜时，测量精度和调平时间均在题目要求的范围内，但传感器检测到的角度与显示器显示的角度存在误差，即平台系统不够稳定，因为传感器的灵敏度较高，只要平台有一点小的波动， 传感器就会检测到平台的角度。所以设定的角度与传感器检测到的角度值必然会存在误差。6结论本设计是利用单片机控制的承载平台平衡调整系统，由最终实验测结果得知平台基本可以完成对设定的x或y轴倾斜角度的测量 ，即基本要求可以达到。发挥部分基本可以完成第一、第二个要求和第五个要求，其它部分难以达到题目要求，主要原因是步进电机的转速不能再提高，如果提高转速的话，平台就比较容易失去平衡。测量精度会有误差。附1：元器件清单 器件 数量at89s52 2个 传感器 2个