电子设计大赛基于自由摆得平板控制系统

1、2011年全国大学生电子设计竞赛基于自由摆的平板控制系统（B题）【本科组】2011年9月3日II摘 要 本系统采用TI公司的MSP430149单片机，高扭矩，1:105减速比直流电机，高精度电位器WDD35D4等器件。通过电位器实现角度-电阻-电压的转换，传感器输出模拟电压经一阶滤波，滤除噪声，传到MSP430149内部AD采样，然后采用滑动滤波算法再次进行滤波，最后通过数字PID调节环节对电机进行精确控制，很好的解决了系统的软启动，高灵敏性的要求，完成了所有任务。本设计主要特色：1、 高效的L298电机驱动电路，提高电源利用率。2、采用了一阶有源滤波，滤除传感器的噪声，经单片机再次数字滤波，

2、实现二次滤波，得到精确的角度值。3、采用滑动滤波对传感器传过来的信号再次滤波后，同时结合先进的数字PID调节算法，很好的实现了系统的实时精确控制。关键词：MSP430149 WDD35D4 减速直流电机 数字PID算法 滑动滤波AbstractThe system uses TI's MSP430149 chip，high-torque DC motor of 1:105 reduction ratio，high-precision potentiometer WDD35D4 and other devices. By Angle - Resistance - Voltage Conv

3、ersion of the Potentiometer, the potentiometer outputs voltage which spreads to the internal ADC of MSP430149 after a first-order filter. Then the MSP430149 precisely controls the DC motor by using the algorithm of slide filter, position -typed PID. Finally we completed all the tasks. 目 录1系统方案11.1 传

4、感器模块的论证与选择11.2电机的论证与选择11.3 控制系统的论证与选择11.4电机驱动的论证与选择12系统理论分析与计算12.1 平板角度测量的分析12.1.1 平板转动角度测量传感器12.1.2 平板转动角度的测量原理12.2平板角度的计算12.2.1 数学模型（详细见附录一）12.2.2 平板数学模型的MATLAB数据拟合（详细见附录一）13电路与程序设计13.1电路的设计13.1.1系统总体框图13.1.2 子系统框图与电路原理图13.1.3电源13.2程序的设计13.2.1程序功能描述与设计思路13.2.2程序流程图13.2.3算法分析14测试方案与测试结果14.1测试方案14.2

5、 测试条件与仪器14.3 测试结果及分析14.3.1测试结果(数据)14.3.2测试分析与结果15.总结1参考文献1附录1： 数学模型1附录2：实测激光角度变化关系1附录3：所有子程序流程图1基于自由摆的平板控制系统（B题）【本科组】1系统方案本系统主要由传感器模块、电机模块、MCU模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1 传感器模块的论证与选择方案一：采用角加速度传感器，如MMA7361三轴加速度芯片，该芯片特点是低功耗，高灵敏度（800 mV/g1.5g），可选则灵敏度（±1.5g, ±6g），可输出x,y,z轴加速度。但是，实测发现该芯片在x轴有一倾角

6、时就输出一模拟量，在单摆软启动时，有瞬间的加速度，该芯片又会输出关于加速度的模拟量，影响倾角的判断，而且，单摆在摆动过程中加速度变化复杂，很难在短时间内建模找到这些量之间的依赖关系。方案二：采用角度传感器，如单轴倾角传感器SCA60C单轴，该芯片的特点是90度量程，0.54.5v模拟电压输出，测量范围±90度，抗冲击能力强，能耗低，但是该芯片价格较贵。方案三：采用电位器，如高精度薄膜式电位器WDD35D4，该电位器全阻值5K，三个引脚，其中两个引脚输入恒定电压，抽头输出滑动电压，利用这一原理可以得到随转到变化的电压，该器件精度高。综合以上三种方案，选择方案三。1.2电机的论证与选择方

7、案一：采用舵机，但是由于任务要求360度，所以舵机不符合。方案二：采用高精度步进电机。选用步距脚为1.8°的高精度步进电机，在实现发挥部分的功能时，光斑每一步的步距达到了4cm左右，即使采用半步，也有2cm左右，无法达到题目要求的精度。方案三：采用大扭矩直流电机。采用PWM方式控制的直流电机，可以实现将光斑的步距角减小到0.5cm左右，同时较大的扭矩防止了平板的自我偏移。综合以上三种方案，选择方案三。1.3 控制系统的论证与选择方案一：采用高性能嵌入式系统，比如ARM。如果采用此方案，可以很好的解决数据处理和控制功能，但是ARM价格昂贵且本科阶段很少接触，在短时间内完成困难比较大。方

8、案二：采用大规模可编程逻辑器件，如FPGA，CPLD但本题属于控制类，不适合采用此方案。方案三：采用单片机，如TI公司的MSP43016位单片机。该单片机集成ADC，丰富的定时器等功能。鉴于此，选择MSP430系列单片机MSP430149，该种单片机Flash 64KB,RAM 2KB完全符合本次赛题要求。综合考虑采用方案三。1.4电机驱动的论证与选择方案一：通过晶体三极管等分立元件搭H桥。优点是价格便宜，结构简单，控制简单。但由于晶体三极管的承载电流比较小，驱动能力受到限制，因为是分立元件，稳定性不敢保证，且体积比较大。方案二：采用集成芯片，如L293,L298等。其优点是集成度高，电路简单

9、，控制方便可靠，体积小，效率高。方案三：采用2803，该芯片包含8个NPN达林顿管，高耐压，大电流，且价格比L298便宜。综合考虑采用方案二三。2系统理论分析与计算2.1 平板角度测量的分析 2.1.1 平板转动角度测量传感器图 2.1如上图2.1采用WDD35D4电位器传感器，该传感器将转动的角度转化为L1，从而改变U1的电压，有如下关系式： U1= L1L *U2.1.2 平板转动角度的测量原理 利用WDD35D4将转的的角度转换为电压，利用MSP430149单片机内部的ADC转换器，采样电位器抽头输出的电压。MSP430149内部ADC基准电压2.5V，所以在WDD35D4两端加2.5V

10、的电压，这样转动一周360°对应2.5V，从而得到每转动1°对应0.00694V。2.2平板角度的计算 2.2.1 数学模型（详细见附录一）针对发挥题建立数学模型求出平板需要摆动角度与摆杆偏离中心的角度的关系。如下分两种情况建立具体的数学模型。情况一（图2.2）： 图 2.2 图 2.3经过数学分析可求得 =1 - arctan1-cos11.5+sin1。情况二（图2.3）：经过数学分析可求得 = 2+arctan1-cos21.5-sin22.2.2 平板数学模型的MATLAB数据拟合（详细见附录一） 3电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图系统总体框图如

11、图3.1所示，本系统由人机交互，MCU控制系统，传感器A，传感器B，直流电机等模块组成。图3.1 系统总体框图3.1.2 子系统框图与电路原理图1、直流电机系统原理图图3.2 直流电机系统原理图2、传感器子系统原理图图3.3 传感器子系统原理图3.1.3电源电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V和12V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现。3.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示，数字PID算法，滑动滤波算法。1）键盘实现功能：复位、选择任务、触发脉冲。2）显示部分：显示任务菜单，实时传感

12、器参数显示及操作命令。3.2.2程序流程图1、主程序流程图图 3.4任务一为基本要求一，任务二为基本要求二，任务三为基本要求三，任务四为综合发挥一二。2、 所有子系统流程图见附录二3.2.3算法分析1、滑动滤波 原理与方法：把连续取N个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N，每次采样得到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队首的一个数据。(先进先出原则)把队列中的N个数据进行算术平均运算,就可获得新的滤波结果。 优点：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，适用于高速的系统，但是对系统速度有较高需求。 2、数字PID算法PID 算法很多，有位置式，增量式，速度式等，考虑到本系统的建模，必须

13、考虑以往的数据，所以采用位置式的PID算法，该算法的基本原理就是调节的输出量是全量输出，对以前的偏差进行逐次累加。其公式如下：uk= kp ek+TTij=0kej + TdTek-ek-1 当进入PID调节子程序时，首先需要根据系统给定值和采样值来计算偏差。为防止在系统运行初期，由于控制量过头，需做限位处理。因为有时候可能引起过大控制。另外，在系统进入稳态后，偏差是很小的，如果偏差在一个很小的范围内波动，控制器对这样微小的偏差计算后，将会输出一个微小的控制量，此时输出的控制量值在一个很小的范围内，不断改自己的方向，频繁动作，发生震颤，这样不利于稳定控制，还造成误差累加。4测试方案与测试结果4

14、.1测试方案1、硬件测试2、软件仿真测试3、硬件软件联调4、实际测试数据利用matlab拟合函数，实现智能控制4.2 测试条件与仪器测试条件：1、多次测量，检验系统可靠性和稳定性2、仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：数字示波器，数字万用表，指针式万用表，秒表，米尺，毫米尺，量角尺。4.3 测试结果及分析4.3.1测试结果(数据)最终6次测量 表一 任务一：360°旋转（规定3-5周内） （单位：度） 123456偏差值030250表二 任务二三：一枚、八枚硬币自由摆 （单位：有效硬币数）1234561枚硬币1111118枚硬币78

15、5887表三 任务四：静态激光偏离 （单位：mm）30354045505560偏离中心（mm）11.50.5261.55最终测量发挥部分二，无明显振荡，局部小范围角度振荡很小。发挥中其他自动调平，无人控制运行任务等完全可靠。4.3.2测试分析与结果根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：1、该系统很好的完成了基本要求一二的任务；同时发现题目可能的漏洞，就是任务二，一枚硬币在30°-60°范围基本不用控制就完成，而任务三在加多硬币数的同时也将角约束在45°-60°范围一下增加太大难度。2、该系统以高于100%超过5枚硬币达到基本要求三的要求，同时也很有很高

16、的稳定性达到7枚甚至是8枚硬币；3、该系统完成发挥任务一，同时发挥任务二效果良好。4、发挥中其他，自动调平，无人控制运行任务效果稳定。综上所述，本设计达到设计要求。5.总结该系统采用MSP430D单片机，WDD35D4电位器，高扭矩直流电机等器件，采用二次滤波，位置式PID算法很好的完成了所有任务。在设计中，我们尽量采用低功耗器件，力求硬件电路的经济性和精简性，充分发挥软件控制灵活方便的特点，满足了设计要求。参考文献1全国大学生电子设计竞赛组委会. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编M 北京理工大学出版社,20072万福君， 潘松峰单片微机原理系统设计及应用M 合肥：中国科学技术大学出版社，2

17、001附录1： 数学模型 发挥部分（1）角度建模一、平板转到角度的确定1、摆杆相对靶子向右运动图 1.1 L1=sin1 -1 h1=cos1 -2 h2=1- cos1 -3 h3=h2 -4 L=1.5+L1-5 tan'=h3L -6 =1- tan-1'- 7由公式1,2,3,4,5,6得 =1 - arctan1-cos11.5+sin1 -8当1=30° 时，=26°当1=60° 时，=48°2、摆杆相对靶子向左运动图1.2 L1=sin2 -9 L2=1.5-L1 -10 h1=cos2 -11 h2=1-h1 -12 ta

18、n = h2L2 -13 = 2+arctan -14由9,10,11,12,13,14得 = 2+arctan1-cos21.5-sin2 -15当1=30° 时，=37.6°当1=60° 时，=98.2°由8,15得 =1 - arctan1-cos11.5+sin1, & 向右2 + arctan 1-cos21.5-sin2, &向左二、MATLAB分析公式 1、摆杆相对靶子向右运动 下图为1在30° - 60°范围变化，公式8的曲线图，从图中可以看出该曲线近似为线性或者是多项式。 图 1.3下图为多项式拟合公式8所得图形与公式8本身图形的比较，有图可以看出三阶多项式很好的拟合了公式8。该二阶多项式为 y= -0.0033x2 +0.9385x+0.5881-16图 1.42、摆杆相对靶子向左运动 下图为2在30° - 60°范围变化，公式15的曲线图，从图中可以看出该曲线近似为线性或者是多项式。该三阶多项式为y=-0.0002x3+0.0442x2-0.4599x+18.1