基于自由摆的平板控制系统

1、青岛大学全国电子设计大赛青岛大学全国电子设计大赛设计报告设计报告 题题 目目 基于自由摆的平衡控制系统基于自由摆的平衡控制系统学生姓名学生姓名 马云开马云开 高原高原 王世伟王世伟专专 业业 智能科学与技术智能科学与技术二二 零零 一一 五五 年年六六 月月摘 要摘摘 要要：本自由摆的平板控制系统采用 STC89C52 单片机作为主控系统，L293D作为电机驱动模块，STC89C52 单片机通过 L293D 驱动模块驱步进机，使步进机上的平板随着摆杆的摆动而旋转。硬件部分主要包括 STC89C52 单片机最小系统，L293D 电机驱动电路，MPU6050 角度传感器，电源模块等。本设计主要运用

2、STC89 寸 2 单片机控制 4 相 6 线步进电机，由单片机产生脉冲信号精确控制步进机的转速和角度，使步进电机上的平板能够随着摆杆摆动而保持水平平衡。关键词关键词：STC89C52 单片机；L293D 电机驱动芯片；MPU 角度传感器目 录目 录摘摘 要要.1目目 录录.I1设计任务与要求设计任务与要求.11.1设计任务 .11.2设计要求 .12方案比较与论证方案比较与论证.22.1主控器的选择与论证 .22.2电机的选择与论证 .22.3驱动模块的选择与论证 .33系统硬件设计系统硬件设计.33.1总体电路框图 .33.2单元电路设计 .43.3整体电路图 .74系统软件设计系统软件设

3、计.74.1总体软件框图 .74.2各模块软件设计 .84.3总程序 .105系统调试与测试系统调试与测试.105.1测试仪器 .105.2测试指标 .105.3测试结果分析 .116设计总结设计总结.11参考文献参考文献.11附录附录.12附录 A：电路图.12附录 B：电路板图.13附录 C：元器件清单.13附录 D：总程序.14正 文0设计题目设计题目1设计任务与要求设计任务与要求1.1 设计任务1、设计并制作一个自由摆上的平板系统，其结构如图 1-1 所示。摆杆的一端通过转轴固定在一支架上，另一端固定安装一台电机，平板固在电机转轴上；当摆杆如图 1-2 所示摆动时，驱动电机可以控制平板

4、转动。图 1-1 图 1-21.2 设计要求1、控制电机使平板可以随着摆杆的摆动而旋转（35 周） ，摆杆摆一个周期，平板旋转一周（360） ，偏差绝对值不大于 45。2、在平板上粘贴一张画有一组间距为 1cm 平行线的打印纸。用手推动摆杆至一个角度 （ 在 3045 间） ，调整平板角度，在平板中心稳定放置一枚 1 元硬币（人民币） ；启动后放开摆杆让其自由摆动。在摆杆摆动过程正 文1中，要求控制平板状态，使硬币在 5 个摆动周期中不从平板上滑落，并尽量少滑离平板的中心位置。3、用手推动摆杆至一个角度 （ 在 4560 间） ，调整平板角度，在平板中心稳定叠放 8 枚 1 元硬币，见图 1-

5、2；启动后放开摆杆让其自由摆动。在摆杆摆动过程中，要求控制平板状态使硬币在摆杆的 5 个摆动周期中不从平板上滑落，并保持叠放状态。根据平板上非保持叠放状态及滑落的硬币数计算成绩。2方案比较与论证方案比较与论证2.1 设计要点要设计基于自由摆的平衡控制系统我们首先想到的是平衡问题，要让摆杆在转动的同时保持平衡状态。所以我们相通过角度传感器来测量角度，通过驱动电机转动来控制摆杆的平衡。在放硬币时，我们要考虑到速度与惯性对硬币平衡的影响，因此，我们要尽量减轻摆杆质量，较小加速度。最后，在使激光打在同一个点上时，我们要考虑误差带来的影响，尽量使误差降到最低。2.2 主控器的选择与论证【方案一】选择 A

6、T89C52 单片机 该芯片 I/O 口多，能够达到控制摆杆转动，电机驱动的要求，价格相对便宜，在此非常合适，又不浪费其它资源。 【方案二】选择 AVR 单片机 该芯片是 ATMEL 公司研制开发的一种新型单片机，运行速度快，内部资源丰富，驱动能力强，具备多种独立的时钟分频器，在这应用显得有点浪费资源 。 【方案三】选择 STC15F2K60S2 单片机 STC15 系列单片机是宏晶科技生产的单时/ 机器周期(1T)的单片机，是高速正 文2/ 低功耗/ 超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051,但速度快 8-12 倍，内部集成 MAX810 专用复位电路。4 路 P

7、WM,8 路高速 10 位A/D 转换,针对电机控制，强干扰场合。在此设计中我们不需要 AD 转换，用此芯片就有点浪费资源咯。 经过方案之间的比较，本次设计采用方案一。2.3 电机的选择与论证【方案一】：采用步进电机步进电机价格便宜，容易控制，旋转角度于脉冲成正比，每步的旋转角度精确度高，不会将一步的误差积累到下一步，且具有优秀的起停和反转响应；【方案二】：采用直流电机直流电机价格低，调速范围广，易于平滑调节，过载、起动、制动转矩大，难于控制转轴的角度和转速；【方案三】：舵机舵机价格偏高，性能易受电压影响，控制旋转的角度精确度不高。鉴于设计要求，故采用方案一。2.4 驱动模块的选择与论证【方案

8、一】：采用 L293D 芯片L293D 芯片价格便宜，电路设计简单，驱动电流大，足以驱动大功率的步进电机；【方案二】：采用 ULN2803 芯片ULN2803 芯片价格便宜，电路设计简单，驱动电流小，不能驱动大功率的步进电机；【方案三】：采用三极管三极管价格便宜，驱动电路设计复杂，不稳定，出问题难于查询。本设计采用步进电机，故采用方案一。2.5 显示器的选择正 文3【方案一】选择数码管 数码管显示方便，价格便宜，非常常见，但不能显示汉字，所以不能清晰地分辨出哪个是时间哪个是距离。 【方案二】选择液晶显示屏 液晶显示屏是现在发展的趋势，显示方便，更方便人机交流，本设计需显示时间和计数值，所以用液

9、晶显示屏比较合适。 考虑到情况和题目要求，本设计采用方案二。2.6 角度检测模块【方案一】MMA7361 倾角检测仪MMA7361 和 MMA7260 一样采用信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，但只提供15g 6g 两个量程，用户可通过开关选择这 2 个灵敏度。该器件带有低通滤波并已做 0g 补偿。其检测输出的是自身电压，通过与五伏电压比较得到角度，需要使用 ADC 进行模数转换。【方案二】AME-B001 角度传感器AME-B001 角度传感器具有高精度、高分辨率、多种输出模式相结合的特点。主要优点有：磁钢位置未对准自动补偿；故障检测功能；非接触位置检测功能，是满足苛刻环境应用需求的理

10、想选择。但是本题并不要求得出精确的角度，而只是要求得出准确的平衡位置，而且该传感器的最大缺点是使用较为繁琐，价格昂贵，不易买到。【方案三】mpu6050 陀螺仪MPU-6000 为全球首例整合性 6 轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间。MPU-6000整合了 3 轴陀螺仪、3 轴加速器，并含可藉由第二个 I2C 端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理(DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎，由主要 I2C 端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的 9 轴融合演算技术，通过

11、 i2c 输出比较方便。经权衡，本设计采用方案三。 正 文43系统硬件设计系统硬件设计3.1 总体电路框图为了使系统能够实现各种复杂的控制功能，本设计采用一种功能强大的、高速低功耗性价比高的单片机 STC89C52 完成控制。本设计采用 MPU6050 角度传感器对摆杆的倾斜角度的采集数据，通过 STC89C52 单片机内部自带的 A/D 转换将数据送给单片机，单片机通过数据分析控制 L298N 驱动电路，使步进机旋转保持平板的水平平衡，用液晶显示 A/D 的数据。总体框图如图 3-1 所示。电 源单片机驱动模块步进机液 晶 显 示传感器AD模块图 3-1 总体框图3.2 显示模块 采用 LC

12、D1602 显示电动小汽车运行的时间和路程，反应出小汽车的用时和路程与经过黑线的数量。 3.3 电机调速 单片机通过改变 PWM 来改变电机的转速，从而可以看出车子在限速区， 正 文5还是在高速区，电机调速可以改变往返的时间，反应车子性能的好坏，更可以满足往返一次时间最短的要求。3.4 电机驱动 使用 L293D 电机驱动模块，就是给电机一个电源，让电动机转起来，电机驱动可以通过单片机来控制，让单片机输出一个高电平就可驱动电机，电机调速也可以来驱运电机。正 文64系统软件设计系统软件设计4.1 总体软件框图 1、总体软件框图如图 4-1 所示。 初始化读倾角传感器电压A/D 转换单片机处理读到

13、的 A/D 数据控制驱动电机转动平板是否水平否结束是正 文7图 4-1 总体软件框图5系统调试与测试系统调试与测试5.1 测试仪器1、数字万用表2、量角器 5.2 测试指标当 MPU6050 倾角传感器与水平方向有角度时，MPU6050 倾角传感器会产生一个一压，STC89C52 单片机通过内部自带 AD 转换采集 MPU6050 反馈的电压值。每个电压值对应一个角度，通过量角器测出角度，列出表格。如表格 5-1 所示。表 5-1 角度-90-60-45-30030456090AD 值102.4239.0307.2377.5512648.6716.8784.9921.6倾角传感器0.5V1.1

14、67V1.5V1.843V2.5V3.167V3.5V3.833V4.5V正 文85.3 测试结果分析从表格 5-1 可得：倾角传感器与水平方向平行时，输出电压是 2.5V；向左右与水平方向倾斜 90 度时，其电压的变化量为 2V。由此可得（误差允许范围内）倾角传感器与水平方向的角度 a 与倾角传感器的电压变化量 v 的数学关系为：v=a(1/45)本设计采用 4 相 6 线 PK545-NAC-C29 步进电机，4 相 8 拍运行方式 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，对应一个脉冲信号，步距角为 =360 度/（50*8）=0.9 度（俗称半步） 。本设计把 MPU6050 倾角传

15、感器固定在步进电机上，与水平方向平行，当摆杆有一个角度时，STC89C52 单片机内部自带 AD 读取 MPU6050 倾角传感器电压值，就能精确控制步进电机的转动角度，使步进电机上的平板保持平衡。如：当 STC89C52 单片机内部自带 AD 读取 MPU6050 倾角传感器电压值为 3.5V 时，其MPU6050 倾角传感器电压变化量为 v=1V，通过上式计算得 N100060 倾角传感器与水平方向的角度 a 为 45 度，从而就能控制步进电机旋转 45 度，使步进电机上的平板保持平衡。6设计总结设计总结经过四天三夜的辛勤努力，本设计实现了题目的全部要求。但由于时间紧，任务重，系统还存在许多可以改进的地方，比如电路布局、抗干扰性等方面还有很大的提升空间，经过改进，相信性能还会有进一步的提升。在软件编程方面，成功的通过软件编程消除了步进电机的抖动问题，采用的方法是：通过 A/D 转换采集倾角传感器的数据，10 个数据一组，然后取平均值。本次竞赛极大的锻炼了我们各方面的能力，虽然我们遇到了很多困难和障碍，但总体上成功与挫折交替，困难与希望并存，我们将继续努力争取更大的进步。参考文献参考文献1毛礼锐，沈灌群.中国教育通史M.济南：山东教育出版社，1988.20-22.2王英杰，高益民.高等教育的国际化J.清华大学