毕业论文：基于自由摆的平板控制系统（终稿）

1、摘 要摘摘 要要：本自由摆的平板控制系统采用 STC12C5A60S2 单片机作为主控系统，L298N 作为电机驱动模块，STC12C5A60S2 单片机通过 L298N 驱动模块驱 PK545-NAC-C29 步进机，使步进机上的平板随着摆杆的摆动而旋转。硬件局部主要包括 STC12C5A60S2 单片机最小系统，L298N 电机驱动电路，N1000060 倾角传感器，电源模块等。本设计主要运用 STC12C5A60S2 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：STC 单片机；L298

2、N 电机驱动芯片；传感器目 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.1设计任务 .1设计要求 .12方案比拟与论证方案比拟与论证.2主控器的选择与论证 .2电机的选择与论证 .2驱动模块的选择与论证 .33系统硬件设计系统硬件设计.3总体电路框图 .3单元电路设计 .4整体电路图 .74系统软件设计系统软件设计.7总体软件框图 .7各模块软件设计 .8总程序 .105系统调试与测试系统调试与测试.10测试仪器 .10测试指标 .10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

3、清单.13附录 D：总程序.14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

4、人民币 ；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 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 1-2；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方案比拟与论证方案比拟与论证2.1 主控器的选择与论证方案一：采用 STC12C5A60S2方案二：采用 STC89C52方案三：采用 AT89C52方案论证：方案

5、一，STC12C5A60S2 芯片价格廉价，应用范围广，功能强大，高速运转，低功耗，强抗静电，强抗干扰，内部集成双串口、8 路 10bitADC 和两路八位 PWM；方案二，STC89C52 芯片价格廉价，应用范围广，运转速度慢，抗静电抗干扰弱，内部无 ADC；方案三，AT89C52 芯片价格廉价，应用范围广，运转速度慢，抗静电抗干扰弱，内部无 ADC。鉴于设计要求，故采用方案一。2.2 电机的选择与论证方案一：采用步进电机方案二：采用直流电机方案三：舵机方案论证：方案一，步进电机价格廉价，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

6、反转响应；方案二，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。2.3 驱动模块的选择与论证方案一：采用 L298N 芯片方案二：采用 ULN2803 芯片方案三：采用三极管方案论证：方案一，L298N 芯片价格廉价，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，ULN2803 芯片价格廉价，电路设计简单，驱动电流小，不能驱动大功率的步进电机；方案三，三极管价格廉价，驱动电路设计复杂，不稳定，出问题难于查询。本设计采用 PK545-NAC-C

7、29 步进电机，故采用方案一。3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 STC12C5A60S2 完成对其他局部控制。本设计采用N1000060 倾角传感器对摆杆的倾斜角度的采集数据，通过 STC12C5A60S2 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 1602 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 单元电路设计

8、1、STC12C5A60S2 单片机最小系统STC12C5A60S2 单片机最小系统 P11 口、P12 口、P13、P14 口接 L298 驱动电流的输入口，单片机通过对 L298N 的控制，使 L298 发出脉冲控制步进机；P23 口、P24 口、P25 口接 1602 液晶，控制液晶显示 A/D 采集 N1000060 倾角传感器的数据，A/D 转换是用 STC12C5A60S2 内部自带的 A/D。单片机最小系统如图 3-2、3-3 所示。图 3-2 最小系统图 3-3 串口局部2、L298N 电机驱动L298N 是一种二相四相步电机的专用驱动器，内含两个 H-Bridge 的高电压、

9、大电流双桥式驱动器，接收标准；OUT1、OUT2、OUT3、OUT4 之间分别接两个步进机；INPUT1、INPUT2、INPUT3、INPUT4 接单片机 I/O，接收输入控制电位来控制电机旋转。L298N 驱动电路如图 3-4 所示。图 3-4 L298N 驱动3、供电电源供电电源采用集成稳压器 7805，电路图中，稳压器 7805 输入端的电容为输入端滤波电容，输出端的电容为输出端滤波电容；家用电 220V 经过变压器接入供电电源模块，能输出直流电压-12V、-5V、5V、12V。供电电源如图 3-5 所示。图 3-5 供电电源3.3 整体电路图见附录 A4系统软件设计系统软件设计4.1

10、 总体软件框图 1、总体软件框图如图 4-1 所示。 图 4-1 总体软件框图初始化读倾角传感器电压A/D 转换单片机处理读到的 A/D 数据控制驱动电机转动平板是否水平否结束是4.2 各模块软件设计1、步进电机右转函数void l_turn(uint i)/步进电机右转函数AA;delay_ms(i);AB;delay_ms(i);BB;delay_ms(i);BC;delay_ms(i);CC;delay_ms(i);CD;delay_ms(i);DD;delay_ms(i);DA;delay_ms(i);2、步进电机左转函数void r_turn(uint i)/步进电机左转函数DA;d

11、elay_ms(i);DD;delay_ms(i);CD;delay_ms(i);CC;delay_ms(i);BC;delay_ms(i);BB;delay_ms(i);AB;delay_ms(i);AA;delay_ms(i);3、STC12C5A60S2 内部 AD BYTE get_ad0()/AD 读取传感器 1 的值ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ch0|ADC_START;_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_(); while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG);return ADC_RES;BYTE get

12、_ad5()/AD 读取传感器 2 的值ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ch5|ADC_START;_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_(); while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG);return ADC_RES;4.3 总程序 见附录 D5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 N100060 倾角传感器与水平方向有角度时，N100060 倾角传感器会产生一个一压，STC12C5A60S2 单片机通过内部自带 AD 转换采集 N100060 反应的电压值。每个电压

13、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512倾角传感器5.3 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=

14、0.9 度俗称半步 。本设计把 N100060 倾角传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，STC12C5A60S2 单片机内部自带 AD 读取 N1000060 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 STC12C5A60S2 单片机内部自带 AD 读取 N1000060 倾角传感器电压值为3.5V 时，其 N1000060 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

15、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良的地方，比方电路布局、抗干扰性等方面还有很大的提升空间，经过改良，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

16、教育研究，20002：13-16.3中华人民共和国国务院.计算机软件保护条例J/0L.东方网附录附录附录 A：电路图附录 A-1附录 A-2附录 B：电路板图附录 B-1附录 C：元器件清单电阻6 个瓷片电容12 个电解电容4 个键盘6 个单片机1 个开关2 个L298N1 个稳压 78051 个稳压 78121 个N10000602 个步进电机1 个MS2321 个串口1 个电位器1 个整流桥1 个变压器1 个发光二极管4 个二极管8 个 附录 D：总程序#include #include#define uint unsigned int#define uchar unsigned char

17、typedef unsigned char BYTE;typedef unsigned int WORD;sfr ADC_CONTR=0 xBC;sfr ADC_RES=0 xBD;sfr ADC_RESL=0 xBE;sfr ADC_LOW2=0 xBE;sfr P1ASF=0 x9D;#define ADC_POWER 0 x80#defineADC_FLAG 0 x10#defineADC_START 0 x08#defineADC_SPEEDLL 0 x00#defineADC_SPEEDL 0 x20#defineADC_SPEEDH 0 x40#defineADC_SPEEDHH

18、0 x60sbit en=P25;/使能sbit rs=P23;/数据命令sbit rw=P24;/读写/定义步进电机连接端口sbit A1=P11;/转三周sbit B1=P12;/转四周sbit C1=P13;/转五周sbit D1=P14;/来回摆动/定义要用到按键的管脚sbit k1=P34;sbit k2=P35;sbit k3=P36;sbit k4=P37;/定义全局变量uint su=20;/8 最大uint j=0;uint jian_zhi=0;uint temp1=0;uchar shu=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,-,:, ;uint i=6;uint ch

19、ong1=0;uint su1=20;/8 最大uint su2=20;uint m=0;uint ad=0;uint ad0=0;uint j1=0;uint j2=0;uint ad5=0;BYTE ch0=0; /模拟通道选择BYTE ch5=5;uint er_flag=0;/使用 1-2 相驱动#define AA A1=1;B1=0;C1=0;D1=0;#define BB A1=0;B1=1;C1=0;D1=0;#define CC A1=0;B1=0;C1=1;D1=0;#define DD A1=0;B1=0;C1=0;D1=1;#define AB A1=1;B1=1;C1

20、=0;D1=0;#define BC A1=0;B1=1;C1=1;D1=0;#define CD A1=0;B1=0;C1=1;D1=1;#define DA A1=1;B1=0;C1=0;D1=1;/函数声明void delay_ms(uint x);void r_turn(uint i);void l_turn(uint i);void delay(WORD n)WORD x;while(n-)x=110;while(x-);void delay_ms(uint x)/延时函数uint y,z;for(y=x;y0;y-)for(z=130;z0;z-);void l_turn(uint

21、 i)/步进电机右转函数AA;delay_ms(i);AB;delay_ms(i);BB;delay_ms(i);BC;delay_ms(i);CC;delay_ms(i);CD;delay_ms(i);DD;delay_ms(i);DA;delay_ms(i);void r_turn(uint i)/步进电机左转函数DA;delay_ms(i);DD;delay_ms(i);CD;delay_ms(i);CC;delay_ms(i);BC;delay_ms(i);BB;delay_ms(i);AB;delay_ms(i);AA;delay_ms(i);void l_dan()switch(m

22、)case 0:AA;m+;break;case 1:AB;m+;break;case 2:BB;m+;break;case 3:BC;m+;break;case 4:CC;m+;break;case 5:CD;m+;break;case 6:DD;m+;break;case 7:DA;m+;break;case 8:m=0;break;default :break;void r_dan()switch(m)case 0:DA;m+;break;case 1:DD;m+;break;case 2:CD;m+;break;case 3:CC;m+;break;case 4:BC;m+;break

23、;case 5:BB;m+;break;case 6:AB;m+;break;case 7:AA;m+;break;case 8:m=0;break;default :break;void ting_zhi()A1=0;B1=0;C1=0;D1=0;/LCD1602 初始化void write_com(uchar com)rs=0;P0=com;delay(1);en=1;delay(1);en=0;void write_data(uchar datae)rs=1;P0=datae;delay(5);en=1;delay(5);en=0;void display_shu(uchar hang,

24、uchar add,uchar num)/在 1602 显示数据的函数，hang 为第几行，add 为位置，num 为数据uchar shi;shi=num;if(hang=1)write_com(0 x80+add);write_data(0 x30+shi);if(hang=2)write_com(0 x80+0 x40+add);write_data(0 x30+num);void init_LCD()/初始化en=0;rw=0;write_com(0 x38);/显示模式控制write_com(0 x0c);/显示开关及光标控制write_com(0 x06);/数据指针设置write

25、_com(0 x01);/清零write_com(0 x80);void InitADC()P1ASF=0 x21;/输入通道选择与 CH 相配合使用,选择 P12ADC_RES=0; /转化的数据存储所在，高八位ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL; /内部 AD 主要的控制存放器 ADC_CONTR,选择 P12;delay(100);BYTE get_ad0()/AD 读取传感器 1 的值ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ch0|ADC_START;_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_(); while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG);return ADC_RES;BYTE get_ad5()/AD 读取传感器 2 的值ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ch5|ADC_START;_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_(); while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG);return ADC_RES;void keyscan()if(k1=0)delay(5);if(k1=0)while(!k1);display_shu(1,1,1);su=32;j=150;while(j-)r_turn(