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宜宾职业技术学院宜宾职业技术学院 毕业论文（设计） 小球滚动控制系统设计 系 部 电子信息与控制工程系 专 业 名 称 电气自动化技术 班 级 电气 11401 班 姓 名 学 号 指 导 教 师 2016 年 10 月 10 日 摘要 摘 要 为使小球能在 U 型导轨按要求滚动与停留，为保证计算速度，本设计采用 2 块 MSP430 单片机最小系统板作为控制核心，一块作为控制超声波距离传感器测试小球滚 动距离，另一块控制步进电机以控制小球滚动方向以及角度传感器。采用 12864 液晶 显示屏，精确显示小球当前距离与工作模式。本设计制作完善，应变能力强，响应速 度快，经测试能达到题目要求。 关键词；MSP430;超声波距离传感器;步进电机;角度传感器;12864 液晶显示屏。 Abstract To enable the ball to stay in the u-rail as required to scroll and, in order to ensure speed, this design uses minimum system board 2 Ti MSP430 MCU core, as controlling the distance ultrasonic distance sensor test ball rolling, the other direction of step motor controlled by a scroll to control the ball and the angle sensor. 12864 LCD display, accurate ball current distance and work patterns. The design perfect, strong adaptability, rapid response, and tested to meet subject requirements. Key words；MSP430;ultrasonic distance sensors;stepper motor;Angle sensor;LCD display。 目录 目 录 1 引言引言.1 2 系统方案设计系统方案设计.2 2.1 设计要求 .2 2.2 实现方法 .2 2.3 单片机选型 .2 2.4 电源设计方案 .3 2.5 电机动力模块的选择 .3 2.6 距离检测模块的选择 .4 2.7 报警模块 .4 2.8 显示模块 .5 3 硬件设计硬件设计.6 3.1 小球滚动控制系统的设计 .6 3.2 总体设计思路及核心控制单元的基本控制原理 .6 3.3 电源降压模块的分析与设计 .7 3.4 步进电机原理分析及硬件电路设计 .7 3.4.1 步距角和步距误差.7 3.4.2 步进电机的计算与分析.8 3.5 步进电机驱动的分析及电路设计 .8 3.5.1 STK672-040 步进电机驱动的分析.8 3.5.2 STK672-040 步进电机驱动的电路设计.9 4 理论分析理论分析.11 4.1 部分电路图 .11 4.2 原理分析 .12 4.3 PID 计算方法.14 目录 5 系统调试及测试结果系统调试及测试结果.15 5.1 调试方法 .15 5.2 调试结果 .15 5.3 测试结果 .15 致致 谢谢.16 参考文献参考文献.17 附录附录 1 实物照片实物照片.18 附录附录 2 程序程序.23 1 引言 1 1 引言 小球滚动控制系统设计在 2015 年参加全国大学生“TI”杯电子设计竞赛，荣获四 川赛区“三等奖”，作品由卢学华、郑业文、陈泓宇设计制作，其中本人主要负责电 气硬件部分的设计。 系统调试 2 2 系统方案设计 2.12.1 设计要求设计要求 （1）在导轨两端头设置触发机构，小球触碰时有明显声或光指示； （2） 15s 内自动将导轨从15范围内的任一位置调整至水平状态，小球放置在 导轨 2535cm 区间某一位置时静止不滚动； （3）小球在原点从静止开始，15s 内使小球在导轨上做 3 次往复运动，且运动控 制在 555cm 区间范围内； （4）在往复运动状态下，通过设置指令（按键）使小球在 15s 内稳定停止在 302cm 位置区域内，并至少保持 10s。 2.22.2 实现方法实现方法 本设计要求在门形支架的一个立柱上用转轴固定一根 U 型导轨，导轨的另一端可 由固定在顶梁上的电机控制其上下运动，使小球在导轨上按要求灵活滚动或定位。导 轨以转轴处为原点，以厘米（cm）为单位标注位置。 我们利用步进电机控制 U 型导轨的角度，以达到改变 U 型导轨的角度控制小球运 动与静止。 2.2.3 3 单片机选型单片机选型 在小球滚动控制系统设计的整个工作过程中需要一个主控芯片对各机械系统的工 作流程进行处理，实现产品的自动化和系统化的要求。拟考虑以下方案： 方案一：采用 SPCE061A 单片机。SPCE061A 单片机是 16 位的微处理器，主频可以 达到 49MHz,速度很快，并且具有方便的 ADC 接口，但 SPCE061A 单片机的功耗不是最低 的。 方案二：采用 Ti 公司的 MSP430 作为主控芯片。MSP430 系列单片机是美国德州仪 器(TI)1996 年开始推向市场的一种 16 位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)。称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟 电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。MSP430 系 系统调试 3 列由于具有 Flash 存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优 点。这是 TI 公司推出具有 Flash 型存储器及 JTAG 边界扫描技术的廉价开发工具 。 方案三 ：采用 Atmel 公司的 AT89S52 作为主控芯片。AT89S52 是一种低功耗、高 性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 系统可编程 Flash 储存器。使用 Atmel 公司高密度 非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许 程序储存器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和 在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 经过反复的比较、论证，我们最终选用了方案二。该控制芯片处理速度快，易于 控制。 2.2.4 4 电源设计方案电源设计方案 在本系统中的电源主要考虑以下方案。 方案一：家用电源。电源的效率高，适应的范围大，带负载承受能力强，通过整 流降压可方便地转换为 12V/5V 直流电源。 方案二：12V/24V 移动电源。此电源的优点是便于移动，降压方便，但本系统工 作时需要长时间用电，不能提供长时间的有效供电。 综上所述，选择方案一，通过降压整流电路将 220V 家用电源转换为 12V/5V 直流 电源，供系统使用。 2.2.5 5 电机电机动力模块动力模块的选择的选择 方案一：步进电机作为动力。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的 开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲 信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号， 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是 以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准 确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达 到调速的目的。 步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电 变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正 常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。 系统调试 4 方案二：直流减速电机作为动力。即齿轮减速电机，是在普通直流电机的基础上， 加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱的作用是，提供较低的转速，较大的力矩。同时， 齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。 由于步进电机对于 U 型导轨角度的控制更为精确，由此我们选择方案一。 2.2.6 6 距离检测模块的选择距离检测模块的选择 方案一：超声波传感器测距。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感 器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动 产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定 向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中， 它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波， 碰到活动物体能产生多普勒效应 方案二：红外传感器测距。红外传感器是基于红外线辐射原理，红外线的波长在 0.76 微米到 1000 微米之间，频率的范围为 3*1011 到 4*1014 之间。任何物体只要温度 大于绝对零度都会辐射红外线，温度越高，红外辐射能量越强，红外传感器就是将红 外能转化为电能的装置。红外测温可以远距离对非接触物体的测量，且响应快、灵敏 度高、准确度高等优点。 方案三：光电传感器测距。光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。 它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换 成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法 具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵 活多样。 经过反复测试，红外传感器距离太近，只能探测 30cm 以内的距离，光电传感器需 求数量太大，成本太高且不精确，超声波传感器测距精确，成本低廉，能满足设计要 求，随意我们选择方案一。 2.72.7 报警模块报警模块 蜂鸣器采用直流电机供电，其能发出单调的或者某个固定频率的声音，如嘀嘀嘀， 嘟嘟嘟等。 系统调试 5 2.82.8 显示模块显示模块 12864 模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形 界面。可以显示 84 行 1616 点 阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其 又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶 显示模块相比， 不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图 形液晶模块。 系统调试 6 3 硬件设计 3.13.1 小球滚动控制系统的小球滚动控制系统的设计设计 在 30cm60cm 的铝合金门形支架的一个立柱上用转轴固定一根 U 型导轨，导轨的 另一端可由固定在顶梁上的电机控制其上下运动，使小球在导轨上按要求灵活滚动或 定位。实现转读之间的互相之间的转换，角度传感器在给单片机一个反馈信号，从而 实现单片机控制角度传感器的转动的角度。提高电机转动角度的精度是整个系统设计 的关键，其精度直接影响到角度传感器的测量值，从而影响到系统控制的难度。实测 表明电机转动角度的精度会受到多种因素影响，电机的机械运动周期频率，门形支架 的制作工艺等。通过各方面的考虑，反复的调试我们实现了对帆板转角精度的精确控 制。 3.23.2 总体设计思路及核心控制单元的基本控制原理总体设计思路及核心控制单元的基本控制原理 在本设计中我们采用单片机 MSP430 模块为核心控制单元来进行外部电路的控制。 从而实现各种功能，达到实验要求。在设计中我们采用了模拟控制及局部反馈控制等 控制方法，利用单片机编程来控制步进电机的转速，从而实现对电机的控制。步进电 机的作用力来带转轴及角度传感器的，角度传感器给单片机一个反馈信号，再由单片 机控制电机的转速，并通过显示屏来实现角度距离的显示，通过光电传感器来实现报 警等。 用超声波和角度传感器来检测小球的运动，然后把数据传给单片机，以便送数据 给显示器和电机。其整体框图如图 3-1 所示： 系统调试 7 图 3-1 系统框图 3.3.3 3 电源降压模块的分析与设计电源降压模块的分析与设计 图 3-2 是电源降压总图，图 3-3 是电源降压的原理图，通过用 LM7805 三极管来降 压，将整流降压后的 12V 电压变为供单片机工作的 5V 电压。 图 3-2 电源降压总图 图 3-3 降压原理图 3.3.4 4 步进电机原理分析及硬件电路设计步进电机原理分析及硬件电路设计 3 3. .4 4. .1 1 步步距距角角和和步步距距误误差差 步距角是指每一排转子转过的一个空间角度。步进角和步进电机的空间相数、通 系统调试 8 电方式及电动机转子齿数的关系如下： a=360KmZ 公式（3-1） 公式（3-1）中 a 是步进电动机的步距角；m 是电动机的相数；Z 是转子齿数；K 是系数，相邻两次通电相数相同（单拍或双拍工作方式）K=1；相邻凉席通电相数不同 （单双拍混合），K=2。同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为 1.20.6、1.50.75、1.80.9、31.5 度等。 步距误差是指步进电机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。 连续走若干步时，上述步距误差的累计值称为步距的累积误差。步进电机的步距累积 误差将以一转为周期重复出现。 3 3. .4 4. .2 2 步步进进电电机机的的计计算算与与分分析析 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉 冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的 旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而 达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度， 从而达到调速的目的。STK672-040 步进电机为例，采用恒流斩波驱动方式和 1-2 相励 磁(两相八拍运行)，可正反向旋转；按 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 顺序通电,额定电流 (单相):0.6A/ DC，额定电压:7.2V/DC。外形/电气原理图如图 3-6。 图 3-5 步进外形/电气原理图 3.3.5 5 步进电机驱动步进电机驱动的的分析分析及及电路设计电路设计 系统调试 9 3 3. .5 5. .1 1 STK672-040 步步进进电电机机驱驱动动的的分分析析 STK672-040 小电流（0.6A）步进电机驱动采用 L298N 驱动模块驱动。L298N 驱动 模块，采用 ST 公司的 L298N 芯片，可以直接驱动两路 3-30V 直流电机，并提供了 5V 输出接口，可以给 5V 单片机电路系统供电,支持 3.3VMCU 控制，可以方便的控制直流 电机速度和方向，也可以控制 2 相步进电机。L298N 驱动模块电气原理如图 3-6 所示， 实物接线如图 3-7 所示。 EN A 6 EN B 11 IN1 5 IN2 7 IN3 10 IN4 12 OUT1 2 OUT2 3 OUT3 13 OUT4 14 ISEN A 1 ISEN B 15 VS 4 VSS 9 GND 8 U1 L298N 0.1uF C2 104 100uF C1 +5V+12V D1 1N4007 D2 1N4007 D3 1N4007 D4 1N4007 D5 1N4007 D6 1N4007 D7 1N4007 D8 1N4007 0.1uF C4 104100uF C3 +5V +12V 动动动动L298N LED1 1K R1 1 2 PWMA 1 2 Power 5V 1 2 3 4 IN1-IN4 1K R2 1K R3 1K R4 LED2 LED3 LED4 1K R5 1K R6 1K R7 1K R8 1 2 PWMB 1 2 Power 12V 1 2 M1 1 2 M2 1 23 4 TLP521-1 1 23 4 TLP521-2 1 23 4 TLP521-3 1 23 4 TLP521-4 +5V+5V +5V +5V 图 3-6 L298N 驱动模块电气原理图 图 3-7 L298N 驱动模块实物接线图 3 3. .5 5. .2 2 STK672-040 步步进进电电机机驱驱动动的的电电路路设设计计 系统调试 10 STK672-040 步进电机分别采用 ZD-6560-V4/3 高性能步进驱动器，该驱动器主要有 整步、二细分、八细分、十六细分可调，电流可调，过热自动保护，自动半流电流衰 减可调，支持脱机、使能、锁定等功能。其与单片机的接线方法简单，如图 3-8 所示， 驱动电路设计如图 3-9 所示。 图 3-8 单片机与驱动器接线图 图 3-9 STK672-040 驱动电路图 系统调试 11 4 理论分析 4 4. .1 1 部分电路图部分电路图 图 4-1 MSP430 最小系统电路图 系统调试 12 图 4-2 MSP430 复位电路电路图 4.24.2 原理分析原理分析 先建立一个主要的流程，然后按照这个流程的思维去控制小球的运动，如果不是 按照程序去实现的就返回重新执行，知道执行指令位置。如图 4-3 所示： 在建立一个小分支的流程图，一步一步的实现功能。如图 4-4 所示： 当多个中断源同时申请中断时，为了使 CPU 能过按照用户的规定先处理最紧急的， 然后在处理其他事件。根据角度传感器检测传回来的值来判断是否要从新扫描键盘。 如图 4-5 所示： 根据角度传感器检测传回来的值来判断是否要从新扫描键盘。如图 4-6 所示： 系统调试 13 图 4-3 主函数流程图 图 4-4 显示流程图 图 4-5 定时中断流程图 图 4-6 角度调整流程图 系统调试 14 4.34.3 PIDPID 计算方法计算方法 double PIDCalc( PID *pp, double NextPoint ) double dError, Error; Error = pp-SetPoint - NextPoint; / 偏差 pp-SumError += Error; / 积分 dError = pp-LastError - pp-PrevError; / 当前微分 pp-PrevError = pp-LastError; pp-LastError = Error; return (pp-Proportion * Error / 比例项 + pp-Integral * pp-SumError / 积分项 + pp-Derivative * dError / 微分项 ); 系统调试 15 5 系统调试及测试结果 5.15.1 调试方法调试方法 在电路检查没有什么错误之后，我们开始进行调试，把各个模块的电源接好，在 确认没有错误之后，进行按键来按照基本功能要求进行一项一项调试。 我们是通过程序来调节步进电机的转速来控制电机转过的角度，在通过角度传感 器输入给单片机，通过单片机的处理之后，在显示屏上显示出测试结果。反复多次调 试 看看在那个方面我们做的不好，在原有的器件上加上一些电子元件从而使显示的结 果更接近标准值。 5.25.2 调试结果调试结果 刚开始调试的结果是我们想不到的，在转速不定情况下第一项要求能够完成，而 且完成的很好。在测试第二的时候我们用步进电机控制转速的时候没有考虑到转轴， 使得测试结果无法达到预想的结果。在发现问