2011年电子设计大赛-基于自由摆得平板控制系统

PAGEPAGEI基于自由摆的平板控制系统（B题）【本科组】2011年9月3日摘要本系统采用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：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，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：MSP430149WDD35D4减速直流电机数字PID算法滑动滤波AbstractThesystemusesTI'sMSP430149chip，high-torqueDCmotorof1:105reductionratio，high-precisionpotentiometerWDD35D4andotherdevices.ByAngle-Resistance-VoltageConversionofthePotentiometer,thepotentiometeroutputsvoltagewhichspreadstotheinternalADCofMSP430149afterafirst-orderfilter.ThentheMSP430149preciselycontrolstheDCmotorbyusingthealgorithmofslidefilter,position-typedPID.Finallywecompletedallthetasks.PAGEPAGE1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，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=2.1.2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ө=ө情况二（图2.3）：经过数学分析可求得Ө=2.2.2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。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：u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4.1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785887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,2007[2]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，2001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=sinө1h1=cosh2=1-cosh3=h24L=1.5+L15tanөө=由公式1,2,3,4,5,6得ө=ө1当ө1=30°时，当ө1=60°时，2、摆杆相对靶子向左运动图1.2L1=sinL2=1.5-L110h1=cosh2=1-h112tanӨӨ=由9,10,11,12,13,14得Ө=ө2当ө1=30°时，当ө1=60°时，由8,15得Ө二、MATLAB分析公式1、摆杆相对靶子向右运动下图为ө1在30°-60° 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图1.42、摆杆相对靶子向左运动下图为ө2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y=-0.0002x3+0.0442图1.5下图为多项式拟合公式15所得图形与公式15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。图1.6附录2：实测激光角度变化关系MSP430149A