基于自由摆的平板控制系统设计报告

基于自由摆的平板控制系统设计报告摘要基于自由摆的平板系统设计是设计基于STC12C5A6S2为核心的控制系统,采用电位器作为角度传感器采集自由摆倾角的信息,采用步进电机作为调整平板，当摆角变化时，电位器传给单片机内部AD一个电压值，单片机通过内部计算，得出角度值，通过角度值，计算出相应指令给传给L298N控制步进电机运转来调整平板，实现平板控制系统与摆杆的协调。一、系统设计1.1设计要求a.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°。b.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。c.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。d.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，使光斑照射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，超时那么视为失败。二、系统方案的选择与论证2.1整体方案基于自由摆的平板控制系统选用STC12C5A6S2为核心的控制系统,采用电位器作为角度传感器采集自由摆倾角的信息,采用步进电机作为调整平板，当摆角变化时，电位器传给单片机内部AD一个电压值，单片机通过内部计算，得出角度值，通过角度值，计算出相应指令给传给L298N控制步进电机运转来调整平板，实现平板控制系统与摆杆的协调2.2角度传感器设计方案方案一：选用ADXL345，ADXL345是一款超低功耗小巧纤薄的3轴加速计，可以对高达±16g的加速度进行高分辨率〔13位〕测量。数字输出数据为16位二进制补码的形式，可通过SPI〔3线或4线〕或者I2C数字接口访问。ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜感测应用中测量静态重力加速度，还可以从运动或者振动中生成动态加速度。它的高分辨率〔4mg/LSB〕能够分辨仅为0.25°的倾角变化，通过对加速度值的测量传给单片机，单片机进行计算，传回来的值与重力加速度的比值，得出相应的角度值，但是ADXL345与单片机采用IIC通信协议，反响时间比拟长，并且本钱比拟高方案二：选用电位器作为角度传感器，电位器安放在转动杆主轴上，在摆杆转动时，电位器传给AD一个电压值，AD把采集到的电压值传给单片机，单片机进行运算电压的差值，的出相应的角度，缺点:精度较低,受外部影响较大，对外界的电磁干扰比拟敏感，并且受随着时间的变化，阻值由于温度的变化会产生电压的变化，很难把电压值定义成相应的温度值。因为平板需要随自由摆变化，即刻的做出相应反响，因此选用电位器做角度传感器，考虑到环境电位器的影响，电位器用屏蔽线进行连接，防止外界电磁波的干扰，在电压值的采集过程中，采用软件滤波的方式，使得得到的电压稳定，本系统中软件控制中，采用读取电压差值的方法计算温度的差值，根据温度的差值发出控制电机的指令。2.3最小系统最小系统选用STC12C5A6S2为核心的单片机，该单片机具有，超强加密，高速，高可靠，低功耗，强抗静电，强抗干扰等优点，指令代码完全兼容传统51单片机，2路PWM，8路高速十位A/D转换器，正对电机控制，强干扰场合。2.4控制平台本次比赛需要做，自由转动，放硬币保持平衡，和激光笔指定一个方向，所以需要一个控制平台，用来调控要做的实验，并对初值进行设置，对相应函数函数进行引用，本系统采用7289，进行控制，7289是广州周立功单片机开展自行设计的,具有SPI串行接口功能的可同时驱动8位共阴式数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片,该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵,单片即可完成LED显示﹑键盘接口的全部功能。ZLG7289A内部含有译码器,可直接接受BCD码或16进制码，并同时具有2种译码方式，此外，还具有多种控制指令如消隐﹑闪烁﹑左移﹑右移﹑段寻址等。2.5控制平板系统控制平板系统采用步进电机，其优点是系统误差较小，通过电机给定的脉冲走相应的步数，外受外界干扰小，缺点时，震动较大，对做平衡硬币的实验带来了不利影响三、算法设计与分析3.1角度信息的采集系统通过采集电位器返回的电压值，通过单片机内部A/D的转化，把电压值传给单片机，电位器的精度角度，因此采用软件滤波的方式，通过定时器采集信息并对其进行积累，每十次取一个平局值，这样电位器读取的值就比拟稳定,使误差降低，3.2角度的计算电位器返回的值受温度影响较大，所以通过计算幅值的差值读取温度的差值，通过温度的差值来控制电机的正转与反转，及其多转过的度数和相应的角度值。3.3电机转动方法电机的转动要需三个参数，电机转动的方向，电机所需转动的步数及其转动的速度，本系统中通过定时器不断采集角度传感器的信息，并把这些信息进行处理得出控制指令，并把相应的控制指令存入控制步进电机的三个参数中，使步进电机随角度的变化控制平板的位置。3.4各实验之间的转换方法设计因为本次比赛需要做自由转动，放硬币保持平衡，和激光笔指定一个方向三个实验，因此需要一个控制平台来控制各个实验之间的转换，采用7289进行控制节省单片机I/O口资源。3.5发挥局部的计算发挥局部角度计算：角度a的计算：理想情况下，不考虑电机上平板的厚度和激光笔的截面半径。那么有：tan(a)=100(1-cos(θ))/(150-100sin(θ))注：该方程中的取值当摆位于垂线左半边时为负值，当摆位于垂线右半边时为正值。那么a=arctan(100(1-cos(θ))/(150-100sin(θ)))3.5误差分析与设计误差主要是电位器采集信息的误差。由于电位对外界的电磁干扰比拟敏感，并且受随着时间的变化，阻值由于温度的变化会产生电压的变化，很难把电压值定义成相应的温度值。因此存在这误差。解决方法：通过软件对电位器返回的值进行滤波，经过屡次采集信息，然后求取平均值，这样得到的就是误差较小，比拟稳定的值。四、系统设计4.1硬件设计1〕系统总体框图2〕角度传感器的设计角度传感器，是一个10k的滑动变阻器，，两端接+5电压，滑动端接单片机P1.0口，通过单片机内部A/D进行信息的采集系统设计结构简单。但对信息采集处理的要求较大，需要软件滤波，使得系统得到比拟稳定精准的数据。3〕电机驱动模块的设计系统通过单片机的P0.0-P0.3控制L298的四个输入端口，再通过l298N步进电机的运行，驱动电源和逻辑电源均选用+5v4)电源模块的设计，在本系统中，使用两种电源进行供电，一种是采用7805的模拟电源，，一种是开关电源，二者，各有利弊，，模拟电源稳定性较好，当负载发生变化时，产生的纹波较小，因为角度传感器受外界的影响较大，所以，单片机和角度传感器的电源采用模拟电源。电机控制采用开关电源进行供电，因为电机功率相对较大，模拟电源效率较低，所以采用开关电源对电机进行供电。总体电路电路图1)最小系统：2)电源模块3)电机驱动模块4)控制平台7289系统元件清单元件数量元件数量STC12C5A6S21步进电机1晶振24M17289控制板178052电阻假设干LM25961电容假设干78061电感假设干L2981开关、散热片假设干电位器1其他假设干4.2软件设计五、系统调试5.1硬件调试硬件分模块进行设计、调试。1)角度传感器的使用硬件模块的调试主要是对角度采集的调试，，测试角度传感器在不同位置的灵敏度，中选用adxl345时，放在平板上时，由于adxl34是用加速度来求出角度值，而在摆杆运动过程中.局部加速度充当向心力，因此所测的值误差非常的大，把角度传感器放在平板上的方法不合理，选择把角度传感器放在摆杆的轴上，经过屡次测试，又发现了新的问题，就是该角度传感器的反响时间严重影响总体设计方案，经过资料分析，选择电位器对温度进行采集，电位器外加+5V电压，转轴固定在摆杆的固定轴上，电位器外端与摆杆相接，单摆干转动时，电位器，与摆杆同步旋转，并将滑动触头端的电压送到A/D转换器中，A/D把采集的信息给单片机，单片机通过读取该值来向步进电机发送相应的指令，考虑到角度传感器受外界的影响，选择屏蔽线连接角度传感器的电源，并加稳定的电阻，从一定程度上抑制传感器的温漂2〕电源模块的选拥本系统初步考虑两种电源模块，一种为开关电源，一种为常用模拟电源，经过过屡次调试得到了两种电源的优缺点:模拟电源：模拟电源比拟稳定，纹波小，受外界影响比拟小，但其利用效率比拟低开关电源，开关电源效率比拟高，但其纹波较大。综合分析，本系统对电源的要求有以下两点，一是角度传感器的返回值必须是稳定的电压值，所以必须使用模拟电源，而步进电机功率相对较高，如果使用模拟电源，很容易烧坏7806，因此电机控制必须使用开关电源，所以本系统中，模拟电源与开关电源一起使用。5..软件调试在软件调试中，第一阶段先把各个模块的功能进行调试，然后对各个模块进行整合优化，其中包括步进电机控制模块，7289显示控制模块，角度传感器信息采集模块。7289模块，主控系统STC12C5A60S2与7289通过SPI通信协议进行通信，在前期数据的采集过程中，7289模块发挥了很大的作用，用7289显示显示A/D采集的电压信息量，然后，对数据进行整合修正，削减误差，计算出角度与电压的关系，为后期的数据处理提供了大量的依据，后期实验过程中，7289作为控制平台，通过选择不同的按键，向单片发送控制指令，对单片机设置初值，进行实验提供了很大的方便。电机调试模块，电机调试初期方案选择MMC-1控制芯片，但在后期的实验过程中，经常出现MMC-1，读取数据失灵的情况，为了提高系统的可靠性，最终放弃对MMC-1芯片的使用，选用单片机控制L298芯片，通过L298控制步进电机的运行，在函数的编写过程中，把步进电机的时序指令存入一个数组当中，控制电机函数通过调用数组控制电机转动，本系统设置的两相步进电机包括三个参数，电机的转动方向，电机的步进数以及步进电机的运行速度，对步进电机控制函数进行封装，再接受到控制指令时，直接调用步进电机的控制函数，向其中写入以上三个参数，电机就可运转。角度传感器模块，在角度传感器模块的编写过程当中，电位器将其电压值传给单片机内部集成A/D，,A/D将电压的模拟量转化为数字量，送给单片机，单片机读到的是电压值，通过相应的转化，把电压值转化为度数，这需要前期大量的数据处理，不断优化程序，削减误差，，使其较好的得到角度值软件整体的链接，在调试好所有软件之后，需要将其进行整合，据体方案是，通过定时器的扫描不断获取角度传感器送来的值，然后采用软件滤波，通过在较短时间内采集一定的角度值，求取平均值的到此刻的角度值，将读到的角度差值量，写入控制指令函数中，读取相应的命令，并把命令发送到指定的步进电机中，步进电机接收到指令后控制平台，在软件编写的过程中，最大的问题是对旋转角度量的处理以及数据、指令的处理时间，通过测算，单摆半个周期的时间为800ms到1000ms之间，在这段时间，单片机需要不断采集数据，处理数据并发出相应的控制指令，所以必须不断优化函数，使其在每个摆动那个周期内，尽量到达数据平板与自由摆的协调控制5.3.综合调试在综合调试过程中，调整软件与硬件，使其相互协调，通过对数据的处理，进行优化，硬件反响出的一些问题，可以由软件解决，在硬件设计系统中，应尽量避软件中的一些弊端，共同发挥软件与硬件的优点，通过大量实验，不断进行优化，使平板和自由摆在各个实验当中相互协调。六、测试结果分析6.1角度与电压量之间的关系的测试在初期实验当中，屡次通过量角器测试角度传感器的偏转角，通过7289读取电压值与角度的关系，声明并使用角度转换函数，度数电压电压差度数电压电压差40219035432455534953853150903510042338551233310545734601583511049538651893111542136702203112045635752573712548832802903313052234853223213555836通过对以上数据进行处理，及其误差分析得出当电压值为每变化3.4mv时，相应的角度变化为一度。再通过外界环境的关系量来调整系统的稳定性能，使其在摆动周期内实现平板与自由摆的协调。6.2实验一的测试角度值次数误差303004