B-基于自由摆的平板控制系统(B题)

PAGE基于自由摆的平板控制系统摘要：设计并实现了一个基于风力摆的控制系统。系统主要由固定支架、摆杆、万向节、键盘、液晶屏、轴流风机以及STM32F40ARM微控制器为控制核心主控板等部分组成。系统中由安装在摆杆底部的陀螺仪感器采集摆杆旋转的角度，将角度数值经A/D转换后传送给主控板，单片机根据设计要求发送控制信息给电机驱动电路，用以控制连接在电机转轴上的平板的旋转角度。硬件方面详细介绍了传感器电路、信号调理电路、电机驱动电路以及系统扩展所需的其他一些外围电路的设计。软件采用C语言编程，在数据采集的过程中采用了误差校正以及数字滤波等数据处理方法，实现了自由摆控制系统的平板的控制，同时采用了软硬件结合的抗干扰技术，提高系统的稳定性。关键词：风力摆；平衡控制；STM32；ARM；轴流风机；万向节；陀螺仪DesignofPlateControlSystemBasedontheFreeWigwagofPendulumAbstract:: Thisdesigncombinedwithmoderncontroltechnology,computertechnologyandSTC89C52microcontrollerastherepresentativeofthemicroelectronictechnologytoachieveafreependulumbalancesystem.Consideringthesteppermotorhasaccuratepositioning,simpleoperation,servomechanismadoptsasteppermotorastheimplementationofcomponents.Thesystemismainlycomposedofapendulumframe,adataacquisitionpart,amaincontrolboard,drivesystemhasfourmajorcomponents.Datawerecollectedusingarotationanglesensor,maincontrolpanelbasedonmcu.Systemhardwareandsoftwaredesignisbasedontheideaofmodulardesign.Hardwaredetailsthesensorcircuit,asignalconditioningcircuit,STC89C52minimumsystemcircuit,motordrivecircuitandsystemextensionrequiredsomeotherperipheralcircuitdesign.Thesoftwaretothehardwarecircuitbasedonthemodulardesignrespectively.Intheprocessofcollectingdatausingerrorcorrectionaswellasdigitalfiltering,dataprocessingmethod,atthesametime,thecombinationofhardwareandsoftwareantiinterferencetechnology,improvingthestabilityofthesystem.Keywords:Measurementandcontrolsystem;balancecontrol;STC89C52chip;stepmotor目录一、 系统方案论证与选择 11.1设计要求 11.1.1任务 11.1.2基本要求 11.1.3发挥部分 21.1.4说明 21.2系统基本方案 31.2.1各模块方案论证和选择 41.2.2系统各模块的最终方案 6二、 系统的硬件设计与实现 72.1系统硬件的基本组成部分 72.2主要单元电路的设计 72.2.1电机驱动模块 72.2.2单片机模块 72.2.3A/D转换模块 82.2.41602液晶显示模块 9三、 系统软件设计与实现 103.1主程序流程图 103.2电机及传感器流程图 113.3有关的计算及程序 11四、 系统测试 114.1测试的基本方案 114.2基本要求测试 114.3发挥部分测试 124.4测试总结 12五、 设计总结 12参考文献 12PAGE12系统方案论证与选择1.1设计要求 1.1.1任务设计并制作一个自由摆上的平板控制系统，其结构如图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，平板固定在电机转轴上；当摆杆如图2摆动时，驱动电机可以控制平板转动。1.1.2基本要求（1）控制电机使平板可以随着摆杆的摆动而旋转（3~5周），摆杆摆一个周

期，平板旋转一周（360º），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θ（θ在30º～45º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θ（θ在45º～60º间），调整平板角度，在平板中心稳定叠放8枚1元硬币，见图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。1.1.3发挥部分（1）如图3所示，在平板上固定一激光笔，光斑照射在距摆杆150cm距离处垂直放置的靶子上。摆杆垂直静止且平板处于水平时，调节靶子高度，使光斑照在靶纸的某一条线上，标识此线为中心线。用手推动摆杆至一个角度θ（θ在30º～60º间），启动后，系统应在15秒钟内控制平板尽量使激光笔照射在中心线上（偏差绝对值＜1cm），完成时以LED指示。根据光斑偏离中心线的距离计算成绩，超时则视为失败。图3激光笔在摆杆摆动时指向固定点的示意图（2）在上述过程完成后，调整平板，使激光笔照射到中心线上（可人工协助）。启动后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，根据光斑偏离中心线的距离计算成绩。1.1.4说明1．摆杆可以采用木质、金属、塑料等硬质材料；摆杆长度（固定转轴至电机轴的距离）为100cm±5cm；摆杆通过转轴固定在支架或横梁上，并能够灵活摆动；将摆杆推起至θ=30º处释放后,摆杆至少可以自由摆动7个周期以上。摆杆不得受重力以外的任何外力控制。

2．平板的状态只能受电机控制。平板的长宽尺寸为10cm×6cm，可以采用较轻的硬质材料；不得有磁性；表面必须为光滑的硬质平面；不得有凸起的边沿；倾斜一定角度时硬币须能滑落。平板承载重量不小于100g。

3．摆动周期的定义：摆杆被释放至下一次摆动到同侧最高点。

4．摆杆与平板部分电路可以用软质导线连接，但必须不影响摆杆的自由摆动。

5．在完成基本要求部分工作时，需在平板上铺设一张如图4所示画有一组间距为1cm平行线的打印纸（10cm×6cm），平行线与电机转轴平行。图46．非保持叠放状态硬币数为接触平板硬币数减1。接触平板硬币数的定义参见图5。图5-1中接触平板硬币数为1；图5-2中接触平板硬币数为2；图5-3中接触平板硬币数为3。

图5-1图5-2 图5-37．在完成发挥部分工作时，需要在平板上固定安装一激光笔。激光笔的照射方向垂直于电机转轴。激光笔的光斑直径不大于5mm。需在距摆杆150cm处设置一高度可以调整的目标靶子，靶子上粘贴靶纸（A4打印纸），靶纸上画一组间距为1cm的水平平行线。测试现场提供靶子，也可自带。

8．题目要求的各项工作中，凡涉及推动摆杆至某一位置并准备开始摆动时，允许手动操作启动工作，亦可自动启动工作。一旦摆杆开始自由摆动，不得再人为干预系统运行。1.2系统基本方案根据题目要求，平板控制系统的主要控制部分由按键数据采集模块、单片机模块、电机驱动模块、键盘模块以及显示模块组成。其中数据采集部分包括：角度探测模块、A/D模块。控制模块部分包括：单片机模块、电机驱动模块、1602显示模块。在系统中，可通过角度传感器的反馈获得自由摆旋转的角度，控制驱动模块实时读取传感器反馈的数据，同时控制模块通过处理器内部的控制算法实现该控制决策，产生相应的控制量，使步进电机转动，从而带动被控对象运动，达到目标运动状态。总的框图如图6所示。1.2.1各模块方案论证和选择1控制器模块设计与比较根据题目要求，控制器主要用于传感器信号的接收和辨认，控制步进电机的动作使平板保持水平。对于控制器的选择有以下两个方案：方案一：选用PIC、或AVR、或凌阳SPCE061A等作为控制核心；这些单片机资源丰富，可以实现复杂的逻辑功能，功能强大，完全可以实现对步进电机的控制。但对于此题目而言，其有时得不到体现，成本也稍高，有点资源浪费。方案二：采用STC89C52作为系统控制器的方案。单片机算术运算功能强，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，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。基于以上分析拟定方案二。在本设计中，我们采用了STC89C52单片机对角度传感器和步进电机进行监测和控制。表1详细列出了89C52系列单片的主要功能特性。表189C52主要功能特性标准MCS-51内核和指令系统片内8kROM(可扩充64kB外部存储器)32个双向I/O口256x8bit内部RAM(可扩充64kB外部存储器)3个16位可编程定时/计数器时钟频率3.5-12/24/33MHz6个中断源改进型快速编程脉冲算法全双工串行通信口5.0V工作电压续表189C52主要功能特性—帧错误侦测布尔处理器—自动地址识别4层优先级中断结构空闲和掉电节省模式兼容TTL和CMOS逻辑电平向上或向下定时计数器PDIP(40)和PLCC(44)封装形式2.步进电机设计与比较 方案一：采用永磁式（PM）或者反应式（VR）步进电机，永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。 方案二：采用混合式(HB)步进电机，混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。从本系统的设计要求来考虑，既要实现较大转矩输出，又要保证一定的精确角度，而且要求噪声和振动较小。综合以上考虑，故选择方案二，采用42BYGH4604步进电机。3.传感器模块设计与比较 方案一：采用非接触式角度传感器，特点是无触点、无噪声、高灵敏度、高重复性、接近无限转动寿命、高频响应特性好。但价格较贵。 方案二：采用旋转角度传感器，旋转角度传感器是基于可调电位计工作原理所设计的角度传感器。它是采用高性能集成磁敏感应元件，利用磁信号感应非接触的特点，配合微处理器进行智能化信号处理制成新一代360度全量程以及可编程选定测量区间角度传感器。它具有分辨率高、温度稳定性好等突出特点，并且性价比优异。综合比较起来，选方案二较好，故选择旋转角度传感器。4.步进电机驱动模块设计与比较方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率。而且实现很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单。缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案三：采用由达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。在这种电路中，管子始终工作在饱和与截止模式下，转换速度快，效率高。H型电路可以实现转速和方向的控制电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。且由L298N结合单片机可实现对小车速度的精确控制。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此决定采用L298N控制直流电机5.显示模块设计与比较方案一：使用液晶显示屏显示模式和角度数据。显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。方案二：使用传统的数码管显示。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度比较高，称量快，精确可靠，操作简单。但是用数码管很难显示角度等数据，因而采用方案一，选择的是1602液晶显示屏。6.A/D模块的设计与比较 方案一：采用ADC0809芯片。ADC0809是8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。 方案二：采用TLV2544芯片。TLV2544是多通道四路串行12位A/D模数转换器。角度传感器采集的角度数据，故要求模数转换器的精度和位数较高，因而选择方案二。1.2.2系统各模块的最终方案经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下：（1）控制器模块：采用STC89C52作为系统控制器（2）步进电机：采用42BYGH4604步进电机（3）传感器模块：选择旋转角度传感器（4）步进电机驱动模块：采用L298N控制直流电机（5）显示模块：选择1602液晶显示屏（6）A/D转换模块：采用TLV2544芯片系统的硬件设计与实现2.1系统硬件的基本组成部分 本系统在设计中运用了检测技术、自动控制技术和单片机技术。系统可分为数据采集部分和驱动控制部分。其中数据采集部分包括角度传感器和A/D转换器，驱动控制部分主要包括三个部分：单片机控制电路、电机驱动电路、1602液晶显示电路。2.2主要单元电路的设计2.2.1电机驱动模块 电机驱动电路采用的是LM298驱动芯片。电路连接图如图7所示。图7步进电机驱动电路2.2.2单片机模块 单片机模块主要是单片机的最小系统和按键组、LED显示模块。图8单片机模块电路2.2.3A/D转换模块 A/D转换器使用的是TLV2544，其与单片机的典型电路为图9。