承载平台平衡调整系统.doc

2010 年安徽省大学生电子设计竞赛 承载平台平衡调整系统 A 题 本科组 参赛学校 安徽财经大学 参赛队号 2010003 参赛队员 指导老师 2010 年 9 月 6 日 摘要 本系统采用 AT89S52 单片机作为承载平台平衡调整系统的控制核心 利用 双轴倾角传感器 步进电机 电动伸缩杆 8 为数码管等实现角度检测 角度 显示 平衡调节等功能来完成任务 角度的测量通过倾角传感器采用 tlc2543 转换得到 通过单片机控制步进电机的旋转进而带动伸缩杆伸缩来调整平台的 水平 并同时动态显示出平台长边 宽边 即 X 轴 Y 轴 的倾角度数 关键词 承载平台平衡调整系统 电动伸缩杆 双轴倾角传感器 步进 电机 Abstract This system USES AT89S52 SCM as bearing platform balance adjustment system control core using biaxial Angle sensor stepping motor electric expansion 8 for digital pipe etc Angle display Angle adjustment function to complete the task Angle measurement by using tlc2543 conversion Angle sensor through the single chip microcomputer control of stepping motor driven expansion stem rotation and expansion to adjust the platform level and the dynamic show flat head wide edge namely the X axis and Y axis inclination degree Key word Bearing platform balance adjustment system Flexible rod Biaxial Angle sensor Two four lines step into the motor 目录 1 1 引言引言 1 2 2 系统方案设计系统方案设计 2 2 12 1 设计要求设计要求 2 a 基本要求 基本要求 b 发挥部分 发挥部分 2 22 2 整体设计思路和基本方案整体设计思路和基本方案 2 2 2 12 2 1 各模块方案选择和论证各模块方案选择和论证 2 2 2 22 2 2 系统各模块选择的最终方案系统各模块选择的最终方案 4 3 3 系统主要单元模块设计系统主要单元模块设计 6 3 13 1 系统硬件的基本组成部分系统硬件的基本组成部分 6 3 23 2 主要单元模块设计主要单元模块设计 6 3 2 13 2 1 控制部分的单元电路设计控制部分的单元电路设计 6 3 2 23 2 2 传感器部分的单元电路设计传感器部分的单元电路设计 7 4 4 系统的软件设计系统的软件设计 7 4 14 1 双轴倾角传感器子程序双轴倾角传感器子程序 7 4 24 2 8 8 位数码管显示子程序位数码管显示子程序 7 4 34 3 驱动步进电机子程序驱动步进电机子程序 8 5 5 系统测试系统测试 10 5 15 1 测试仪器测试仪器 10 5 25 2 指标测试指标测试 10 5 2 15 2 1 平台上升 或下降 的角度测试平台上升 或下降 的角度测试 10 5 2 25 2 2达到固定角度的时间测试达到固定角度的时间测试 10 6 6 总结总结 11 第一章 引言 1 1 引言 由题目要求 设计并制作一个承载平台平衡调整系统 该承载平台由多条 腿支撑 并能承受一定重量的载重 通过调整支撑腿的伸缩来调整平台的水平 和倾斜 有如下设计思路 首先 此平台可以自动调整自身的平衡和检测自身的水平与倾斜 因而平 台的支撑腿必须可以调整伸缩从而达到调整平台的水平和倾斜 其次 支撑腿 的伸缩须可以控制 可以采用电动机或步进电机作为支撑腿的驱动电机 再而 通过调整驱动电机的旋转来带动支撑腿的伸缩 再次 平台的水平与倾斜必须 能直观的检测出来 可以采用水平传感器或角度传感器来检测平台的水平与否 并将检测到的数据传送给单片机 以便单片机控制支撑腿的伸缩来调整平台的 水平或倾斜 同时为了比较直观地观察倾斜的角度 可以采用单片机最小系统 中的数码管或 LCD 液晶显示承载平台的倾斜角度 由于该设计功能的实现可以自动调整自身的水平与倾斜 因而在我们日常 生活 工业生产和更高领域中有较好的发展前景 该设计系统的实现 是通过 调整支撑腿的伸缩来调整平台的水平和倾斜 因此平衡系统的调整是关键 第二章 方案设计 2 2 系统方案设计 叙述设计思路 总体方案组成和说明 对各个组成部分作详细说明 给出 框图 原理图 软件流程图 至少提出两个方案 并对两个方案进行比较 说 明采用其中一个方案的理由 2 12 1 设计要求设计要求 根据题目要求 2 22 2 整体设计思路和基本方案整体设计思路和基本方案 显示 模块 倾角传感器模块 电源 模块 控制器模块 根据题目要求 系统可以划分为控制部分和信号检测部分 其中控制部分 包括 控制器模块 伸缩杆电机驱动模块 显示模块 电源模块 信号检测部 分采用 测角度传感器模块 共五个基本模块 模块框图如图所示 为了实现 各模块的功能 分别做了几种不同设计方案并进行了论证 2 2 12 2 1 各模块方案选择和论证各模块方案选择和论证 1 控制器模块 根据题目要求 控制器主要用于倾角传感器信号的接收和辨认 控制伸缩 杆的电机的动作 控制显示倾斜角度 控制芯片 AD2543 的数据转换 对于控制 器模块的选择有以下两种方案 方案 1 采用 FPGA 现场可编程们列阵 作为系统的控制器 FPGA 可以实现 电机驱动伸缩杆 模块 第二章 方案设计 3 各种复杂的逻辑功能 规模大 密度高 它将所有器件集成在一块芯片上 减 小了体积 提高了稳定性 并且可应用 EDA 软件仿真 调试 易于进行功能扩 展 FPGA 采用并行的输入输出方式 提高了系统的处理速度 适合作为大规模 实时系统的控制核心 由检测模块输出的信号并行输入 FPGA FPGA 通过程序设 计控制小车做出相应的动作 但由于本设计对数据处理的速度要求不高 FPGA 的高速处理优势得不到充分体现 并且由于其集成度高 使其成本偏高 同时 由于芯片的引脚较多 实物硬件电路板布线复杂 加重了电路设计和实际焊接 的工作 方案 2 采用 ATMEL 公司的 AT89S52 作为主控制芯片 该芯片有足够的存储 空间 可以方便的在线 ISP 下载程序 能够满足该系统软件的需要 算术运算 功能强 软件编程灵活 自由度大 可用软件编程实现各种算法和逻辑控制 并且其功耗低 体积小 技术成熟和成本低等优点 采用该芯片可以比较灵活 的选择各个模块控制芯片 有很好的实时性 基于以上分析我们选择方案 2 2 电源模块 由于本系统需要电源供电 而且各个模块的正常工作电压都不相同 因此 我们考虑了如下几种方案为系统供电 方案 1 采用 20 节 1 5V 干电池供电 电压达到 30V 给伸缩杆的驱动电机 供电 并经 7812 稳压后然后将 12V 电压给倾角传感器供电 再用 7805 再次降 压 稳压后给单片机系统和其他芯片供电 由于干电池电量有限 使用大量的 干电池将会给系统调试带来不便 因此 我们放弃了这种方案 稳压芯片管脚 图 图 2 1 图 2 2 图 2 3 图 2 4 所示 方案 2 采用 12V 蓄电池为直流电机供电 将 12V 电压经过 7805 芯片降压 稳压后给单片机系统和其他芯片供电 蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳 定的电压输出性能 虽然蓄电池的体积过于庞大 在小型车上使用极为不方便 但由于我们在车体设计时留出了足够的空间 另外蓄电池的价格比较低 因此 我们选择了此方案 综上考虑 我们选择了方案 2 3 测角度传感器模块 综合该设计系统的设计要求 测量平台的倾斜角度的传感器该系统采用水 平传感器 双轴倾角传感器 如图 2 5 所示 倾角传感器经常用于系统的水平测量 从工作原理上可分为 固体摆 式 液体摆 式 气体摆 三种倾角传感器 倾角传感器还可以用来测量相对于 水平面的倾角变化量 理论基础就是牛顿第二定律 根据基本的物理原理 在一个系统内部 速度是无法测量的 但却可以测量其加速度 如果初速度 已知 就可以通过 积分计算出线速度 进而可以计算出直线位移 所以它其 实是运用惯性原理的一种 加速度传感器 当倾角传感器静止时也就是侧面 和垂直方向没有加速度作用 那么作用在它上面的只有重力加速度 重力垂 直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了 4 伸缩杆电机驱动模块 本系统通过控制伸缩杆的伸缩 来调整平台上升下降 从而达到维持承载 平台平衡的目的 而伸缩杆的伸缩可以通过驱动电机来带动其运作 对于驱动 电机的选择有如下方案 第二章 方案设计 4 采用步进电机驱动 步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力 如 果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值 就能够立即使步进电机启动或 反转 另一个显著特点是转换精度高 正转反转控制灵活 由于其转过的角度 可以精确的定位 可以控制伸缩杆精确的运转 使用步进电机作为伸缩杆的驱 动电机 5 显示模块 在承载平台平衡调整过程中 系统需要对平台长边和宽边倾斜的角度进行 实时地显示 其实显示模块采用数码管或液晶 由于此系统的单片机最小系统 中有控制数码管显示 而数码管具有对外界环境要求低 易于维护 精确度比 较高 可靠 操作简单等优点 且数码管显示数字程序编译容易 占用资源少 因而 在该系统中采用数码管的动态显示 还可以节省单片机内部资源 2 2 2 系统各模块选择的最终方案 经过仔细的分析和论证 决定了如下系统各模块选择的最终方案 1 控制器模块 采用 AT89S52 作为该系统的主控制芯片 2 电源模块 采用 3 测角度传感器模块 采用双轴倾角传感器检测平台的倾斜角度 4 伸缩杆电机驱动模块 采用步进电机作为平台支撑腿的驱动电机 5 显示模块 采用数码管动态显示 系统的基本框图如图 2 6 所示 单片机 AT89S52 主要用于控制平台伸缩杆 的驱动电机的旋转来驱动伸缩杆的伸缩和处理倾角传感器传送的信号 实现承 载平台平衡调整 显示平台倾斜角度的功能 该系统具体工作过程为 系统通电后开始工作 倾角传感器开始运行检测承载平台的水平与否 将 检测到的数据传送到单片机 单片机将接收到的数据经过 AD2543 进行识别与判 断 然后再控制驱动电机来调整平台平衡 同时将平台沿某一边倾斜的角度通 过 HD7279 控制数码管进行实时显示 单片机 AT89S52 双轴 倾角传感 器 8 位数 码管 电动 伸缩杆 HD7279AD2543 驱动电机 第二章 方案设计 5 图 2 6 系统基本框图 第三章 设计实现 6 3 系统主要单元模块设计 叙述方案实现过程中出现的问题 解决办法 对方案的修改 最后完成的 方案的说明 3 1 系统硬件的基本组成部分 该设计系统是平台平衡调整和自动检测平台倾斜角度的综合设计 在设计 中运用了检测技术 自动控制技术 模数转换技术 系统可分为控制部分和传 感器检测部分 控制部分 该系统中单片机通过接收倾角传感器检测到的信号判断承载平 台的水平与否 当平台倾斜时 单片机控制步进电机旋转来驱动伸缩杆的伸缩 从而调节平台的平衡 同时 单片机将倾角传感器传送来的数据转换为数字量 角度 并通过控制 7279 使数码管显示 控制部分由单片机控制电路 步进电机 驱动伸缩杆电路和数码管动态显示电路组成 传感器检测部分 该系统采用双轴倾角传感器检测承载平台的倾斜度 并 将数据传送给 2543 转化为可被控制器件识别的电信号 传感器检测部分主要 由倾角传感器检测电路构成 3 2 主要单元模块设计 3 2 1 控制部分的单元电路设计 1 单片机控制电路的设计 单片机接收从倾角传感器检测电路输入的逻辑信号和脉冲信号 并将输入 的信号进行处理运算 以控制电压的形式输出给被控制的单元电路 完成各项 任务要求 单片机 AT89S51 外接显示电路 传感器测量电路和步进电机驱动电路 其 中传感器测量电路是信号输入 显示电路和步进电机驱动电路是信号输出 为 了方便单片机引脚的使用 我们将单片机的所有引脚用接口引出 具体电路如 下图所示 通过倾角传感器对平台的倾斜与否 倾斜大小进行检测 单片机 AT89S51 完成步进电机的伸长缩短等功能 2 步进电机驱动电路的设计 本系统采用三个步进电机 组成正三角形 固定在平台的下方 通过控制 每个步进电机的转与不转 正转反转 进而通过控制伸缩杆伸缩来控制平台沿 宽边倾斜 沿长边倾斜 沿任意方向倾斜 以及每次自动恢复水平 3 8 位数码管动态显示电路的设计 第三章 设计实现 7 在本系统中采用动态显示方式驱动 8 个七段数码管 8 各七段数码管用来 分别显示 X 轴和 Y 轴的倾斜角度 前 4 个显示 X 轴的倾斜角度 后 4 个显示 Y 轴的倾斜角度 3 2 2 传感器部分的单元电路设计 题目要求平台沿宽边或长边倾斜时 能检测到平台宽边或长边的倾角 并 显示出来 系统需要将平台的状态及时的以电信号的形式反馈到控制部分 控 制部分控制步进电机带动伸缩杆使平台趋向水平 保持平衡 在本设计中采用 了一个双轴倾角传感器安装于平台的背面 当平台沿宽边倾斜时 传感器 X 轴 方向上的采样的电压值发生变化 经 tlc2543 转换后 显示为 X 轴方向上角度 的变化 单片机接收到该信号后 控制步进电机 2 3 转动 使平台趋于平衡 当平台沿长边倾斜时 传感器 Y 轴方向上的采用的电压值发生变化 经 tlc2543 转换后 显示为 Y 轴方向上角度的变化 单片机接收该信号后 控制 步进电机 1 转动 是平台趋于稳定 当平台沿任意方向上倾斜时 传感器 X 轴 Y 轴方向上采用的电压值都将发生变化 单片机接收该信号后 控制步进电机 1 2 3 转动 使平台趋于水平 单片机最小系统及外围电路 如图 3 1 图 3 2 所示 4 系统的软件设计 系统的软件设计采用 C 语言 对单片机进行编程实现各项功能 程序是在 Windows XP 环境下采用 KeiluVision 3 软件编写的 可以实现单片机对数码 管的显示控制 步进电机的转动等功能 主程序主要起到一个导向和策划功能 决定什么角度步进电机该怎样转动 步进电机 各种功能的实现主要通过调用具体的子程序 4 1 双轴倾角传感器子程序 双轴倾角传感器子程序主要用于测量承载平台倾斜角度 双轴倾角传感器附于承载平 台的背面 平台水平时 传感器返回一个电信号 电压 经 2543 转换为角度值 平台倾 斜时 传感器不停返回电信号 经 2543 转换 证明角度在不断变换 4 2 8 位数码管显示子程序 在倾角传感器采样的过程中 通过 8 位数码管动态显示角度的变化 前 4 位数码管显 示 X 轴的角度 后 4 位显示 Y 轴的角度 方便观察角度的动态变化 如图 3 3 所示 第三章 设计实现 8 图 3 3 软件流程图 1 4 3 驱动步进电机子程序 在承载平台倾斜的过程中 通过单片机控制 3 个步进电机的转动来调节平台的平衡 宽边 X 轴 倾斜时 调节步进电机 2 3 转动 长边 Y 轴 倾斜时 调节步进电机 1 转 动 两边都倾斜时 调节 3 个步进电机转动使平台平衡 如图 3 4 所示 第三章 设计实现 9 图 3 4 软件流程图 2 第四章 测试 10 5 系统测试 叙述测试方法 所使用的仪器仪表 测试过程 以表格形式给出测试结果 5 1 测试仪器 测试使用的仪器设备如下图所示 表 5 1 测试使用的仪器设备 序号名称 型号 规格数量备注 1 直尺 1 最大测量距离 100cm 最小量程 0 1cm 2 TH SS3022 型数显直流稳压电源 1 3 水平仪 1 4 万能电压表 1 5 2 指标测试 5 2 15 2 1 平台上升 或下降 的角度测试平台上升 或下降 的角度测试 表 5 2 1 承载平台功能测试 测试次数能否准确显示 角度 数码管显示角 度 仪器测量角度误差计算 1 能5 度4 7 度 6 2 能10 度9 4 度 6 3 能15 度15 3 度 2 5 2 25 2 2 达到固定角度的时间测试达到