基于自由摆的平板控制系统

1、论文编号： b 甲 02902 2011 年全国大学生电子设计竞赛题目 b：基于自由摆的平板控制系统学校：院系：参赛学生：2 基于自由摆的平板控制系统摘要：基于自由摆的平板控制系统设计采用stc89c52单片机作为核心， 使用高精度电位器快速检测摆杆的角度， 根据摆杆的角度可以通过单片机驱动步进电机的转动来调节平板获得想要的摆杆角度。同时在平板上添加倾角传感器， 可以配合高精度电位器一起来修正平板角度，从而根据需要实现对平板角度的精确控制。对设计建立模型进行精确地数学分析可以达到更加精确稳定的效果，但是动态的系统模型建立非常复杂， 在计算过程中反而会产生更大误差，所以我们可以进行数学模拟分析之

2、后， 设置一个近似最佳模拟状态， 在这个接近理想的状态基础上进行误差补偿， 该补偿量与每一时刻的角度有一定关系，为了让补偿量尽量达到精确，我们将摆动过程分段处理，进行实验调试获得理想的补偿量。关键词： ad 转换倾角传感器步进电机激光笔一、方案论证与选择1、驱动方式与驱动电机的选择要使电机可以调节平板获得想要的角度，电机必须有很好的机动性能， 不但能够有足够的响应速度，还能平稳的进行精密的定位。方案一：采用 pwm 控制的直流电机， 直流电机可以对电机的速度进行平滑的调节，但直流电机在本设计中不能根据角度有效的控制电机转动。方案二：用单片机控制的步进电机， 由于控制信号是数字信号， 不再需要数

3、/模转换；步进电机采用脉冲驱动，转动的方向、速度都是可控的。便于根据测量的角度根据需要调节步进电机的转动。综上所述，我们选用dr-2h042m 驱动混合式步进电机42bygh4417。2、角度测量器选择（1） 、测量摆杆角度：方案一：选用旋转编码器旋转编码器易受到振动的影响。 在低速旋转或停止时， 加在轴或本体上的振动使旋转槽圆盘抖动，可能会发生误脉冲。方案二：选用 wdd35d-4 电位器应用 wdd35d-4 导电塑料电位器测量摆杆旋转的角度，摆杆的旋转改变电位器的大小，将输出电压经过传入ad 转换芯片，即时测量摆杆的角度，电位器精度高，输出信号大，性能稳定，分辨率高，转动顺滑, 能够很好

4、的检测出单摆角度的微小变化 ,符合设计要求。综上所述，选择方案二。（2） 、测量平板角度：方案一：选用 mma7455测量芯片mma7455 是数字三轴加速度检测芯片，抗冲击能力比较不强。由于本设计中需要检测平板与水平方向的角度，所以用此芯片不易处理数据。方案二：倾角传感器sca60c 选用测量范围是90的，能够即时测量平板的角度， 便于根据要求调节板的角度。该倾角传感器的工作温度范围比较宽，抗冲击能力比较强，能耗低。综上所述，选择方案二。二、理论分析计算与电路设计3 1、系统方案框图图（1）2、角度调节分析与控制方法（1） 、摆杆摆动一个周期控制电机使平板旋转一周：.可以根据初始角 与 36

5、0的关系，确定摆杆每摆动 时，平板转动的角度为=90/。.平板要转的角度 确定每次的步进数： b=/0.225（0.225为电机步进角） 。.根据步进数 b 来控制电机旋转，这里会出现误差。可以在每次的步进数中添加一定补偿步进数c， 根据实验测量获得合适的误差步进数c 来将误差降到最小。（2） 、将摆杆摆到一定角度后， 让摆杆自由摆动， 保证摆杆摆动过程中平板上的硬币不滑落：.初始调节平板水平：当摆杆转动，只需平板按顺时针或逆时针旋转。.在摆杆摆动过程中，根据受力分析，要使硬币不相对平板滑动，需要硬币受到的支持力n 与重力 g 的合力正好为硬币提供沿着摆杆的向心力和垂直于摆杆的线加速度。 通过

6、分析发现， 理想的位置是使平板在每一时刻都处在与地面平行和与摆杆垂直之间。.设初始角 为正，向下运动时测量平板此时角度，角度 0 时，这要使平板反转 角，可以让板在转动到水平位置， 在水平的的基础上， 再反转合适的调整角度，这个调整的角度在摆杆向下摆动时与摆杆的此时角度成正比且小于摆杆此时的角度 ，我们先取调整角度为 /3，当角度 =0 时，只需要补偿 /3。 同理得到摆杆角度 0,且向上摆动时测量平板此时角度，角度0 时，只需要正转合适的调整角度。先设定正转的摆动角度为2/3, 同理得到摆杆角度 0且向上摆动时的调节方法，通过测试改变调整角度获得理想效果。3、硬件设计（1） 、平板控制电路图

7、将精密电位器和倾角传感器分别与一个ad 转换芯片 tlc2543 相连，转换芯片连接单片机，将获得的角度传给单片机，可通过lcd 显示角度大小，单片机与驱动的步进电机相连，用单片机控制驱动转动电机获得所需角度。单 片 机 控 制 模块平板角度控制模块光电测量模块驱动与电机模块摆 杆 角 度测 量 模块4 连接图如下：图（2）（2） 、光电测量电路图激光点距光敏电阻的远近影响光敏电阻的阻值，从而通过变化的电压反馈给单片机，进而精确通过电机调节平板的旋转位置。图（3）三、系统软件设计1、系统框图5 图（4）四、系统测试方案与测试数据1、将摆杆拉到一定角度，启动程序，让摆杆摆动一周期，测量平板是否经

8、过一周期后旋转一周到达起始位置。测试结果：初始角 304560补偿电机步数 c 1 2 2 误差度数2025282、将摆杆拉到一定角度，启动程序让平板平行，放置1 枚硬币查看硬币随平板运动过程中的滑落状况。测试结果初始角 304045滑动距离0cm 0cm 0cm 3、将摆杆拉到一定角度，启动程序让平板平行，放置8 枚硬币查看硬币随平板运动过程中的滑落状况。测试结果：初始角 455060非叠放硬币数0 0 1 掉落数0 0 0 上电启动yes 按键 1 测量起始角 a 摆 杆 角度变化no 调节平板检测摆角检测平板调节平板调节平板检测激光位置检测摆角调节平板检测激光位置调节平板摆角是否变化no

9、 yes 按键 2 按键 2 按键 1 初始调平按键 1 按键 2 6 4、用手将板使摆杆保持一定角度，15 秒钟内控制平板尽量使激光笔照射在中心线上。测试结果：摆杆角度 304560偏离中心线距离0cm 0cm 0.1cm 用时15s 15s 15s 5、将摆杆调到一定角度放开让摆杆自由摆动，摆动过程中尽量使激光笔光斑始终瞄准照射在靶纸的中心线上。测试结果：初始角 304560最大偏离距离2cm 3cm 5cm 五、总结经过紧张的三天四夜的奋力拼搏，我们通过小组成员之间的通力协作，相互探究，终于完成了基于自由摆的平板控制系统实验设计。在本次设计的过程中，我们在分析原理，构造数学模型中遇到困难，浪费不少时间，但是我们改变思路，在建立模型的基础上近似计算，在理论联系实际，通过多次的实验测量获得补偿量，调整到最佳状态。 在硬件设计中也遇到不少问题，选用不合适器件导致测试失败，经过分析换用更加合适器件得到理想结果。等等的这些都是经过多次试验与小组成员共同探究得以解决，这让我们明白只有对问题进行详细分析才能在整体上保障设计的准确性、合理性；只有相互的探究，共同的学习，才能发现错误，解决问题，获得进步，这也让我们深深认识到团队精神的重要性。本次设计提高了我们解决问题的能力，也发现自己的不足之处，会在以后工作生活加以改进。参考文献：1 阎石.数字电子技术基础 .北京:：高等教育出版