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基于自由摆的平板控制系统论文
基于自由摆的平板控制系统
论文摘要：
我们采用STC89C52单片机控制步进电机，通过IO口输出具有时序的脉冲信号作为步进电机的控制信号。
信号经过ULN2003驱动步进电机使其可以带动平板转动。
通过角度传感器KMZ41改变步进电机的运行状态，从而对平板的摆动进行控制。
关键字：
单片机
步进机
角度传感器
正转
反转
一、设计任务
1．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（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θ（θ在30°～45°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45°～60°间），调整平板角度，在平板中心稳定叠放8枚1元硬币；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摆杆的5个摆动周期中不从平板上滑落，并保持叠放状态。
（4）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30°～60°间），启动后，系统应在15秒钟内摆杆至一个角度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。
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。
二、系统硬件原理设计
1．系统总体框图
2．系统功能实现的设计
（1）角度采集
KMZ41是利用稀薄镍铁导磁合金的磁阻效应做成的角度传感器。
KMZ41片内包含两个相互独立的单臂镍铁导磁合金电阻电桥，两个电桥的放置方向相差45°，各自具有独立的电气特性和机器特性。
UZZ9001是角度信号调理芯片。
该芯片将角度传感器KMZ41输出的两个交流信号转换成线性角度信号，并以SPI总线协议兼容的形式输出，并可补偿直流偏移量。
UZZ9001内部包含ADC、振荡电路、低通滤波器、ALU、复位电路、控制单元、SPI接口电路。
内部结构如图所示:
（2）显示与报警
设计中显示的实现采用LED数码管显示，由STC89C52单片机P0的8个数据端口与其连接，中间加上拉电阻来完成对实时符合要求的显示。
（3）主控单片机
设计中选用STC89C52单片机，共有四个8位的I/O口,外加12MHz晶振提供时钟信号，采用上电复位模式，P1口和角度采样传感器通讯，直接输入12位数字量到89C52内进行处理，P3口输出控制信号与外接电机驱动电路来
控制步进电机的输入信号，P0口与LED数码显示模块连接，用于实时显示。
P2^3连接蜂鸣器，提示达到指定角度，从而控制摆杆运动。
（4）步进电机
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电动机的转子为多极分布，定子上嵌有多相星形连接的控制绕组，由专门电源输入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电动机的转子就前进一步。
由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。
步进电机根据单片机输出给驱动电路的脉冲信号确定步数，从而随着摆杆摆动调节平板的位置保持水平。
步进电机分三种：
永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）
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。
在欧美等发达国家80年代已被淘汰；
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。
故本次试验采用混合二相式，步距角为1.8°。
驱动电路为ULN2003.步进机与驱动电路连接图如下：
三、系统软件原理设计
（1）控制系统加电后主控单片机、LED显示、角度传感器、步进机驱动电路复位，然后程序则开始通过扫描角度传感器KMZ41来实时采集当前角度。
控制算法中，当实际角度值达到符合要求的角度时，蜂鸣器提示令摆杆开始摆动。
由于摆杆长度不变，摆动周期T不变。
在摆杆摆动一个周期内，控制步进电机步数，使平板旋转360°。
此电机程序代码如下：
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#include"uzz9001.h"
ucharcoderoundz[]={0X03,0X06,0X0c,0X09};
//ucharcoderoundf[]={0X09,0X0c,0X06,0X03};
#defineCONPORTP1
sbitbeep=P2^3;
sbitdula=P2^6;
sbitwela=P2^7;
unionraradian;
voiddelayms（uchardcnt）
{
uinti;
while（dcnt>0）
{
i=123;
while（i>0）
i--;
dcnt--;
}
}
voiddianji（）
{
uchari=0,j=200;
while（j--）
{
CONPORT=roundz[i];
i++;
if（i>4）
i=0;
delayms（10）;
}
}
uintangle（）
{uintangle;
uchari;
UZZ9001_DATA=1;
UZZ9001_CS=0;
UZZ9001_CLK=0;
for（i=16;i!
=0;i--）
{
radian.rad<<=1;
UZZ9001_CLK=1;
if（UZZ9001_DATA）
radian.rad|=0x01;
UZZ9001_CLK=0;
}
UZZ9001_CLK=1;
UZZ9001_CS=1;
if（!
（radian.r[0]&&0x40））
{
radian.rad&&0x7f7f;
if（radian.r[0]&&0x01）
radian.r[1]|=0x80;
radian.r[0]>>=1;
angle=radian.rad*225lu>>10;
return（angle）;
}
}
voidmain（）
{
charw0;
wela=0;
dula=0;
w0=angle（）;
if（w0==450）
beep=1;
delayms（1000）;
beep=0;
dianji（）;
}
UZZ9001_H头文件
#ifndefUZZ9001_H
#defineUZZ9001_H
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitUZZ9001_CS=P1^0;
sbitUZZ9001_CLK=P1^1;
sbitUZZ9001_DATA=P1^2;
externunionra
{
ucharr[2];
uintrad;
}radian;
externvoidreaduzz9001（void）;
#endif
（2）程序通过扫描角度传感器KMZ41来实时采集当前角度。
控制算法中，当实际角度值达到符合要求的角度时，蜂鸣器提示令摆杆开始摆动。
当摆杆开始下降时，每达到步进机旋转一步的角度后，单片机就给步进机驱动电路一个脉冲信号。
进而保持平板水平。
当摆杆到达对侧最高点时，步进机开始反转。
重复上述步骤。
步进机程序代码如下：
voiddianji（）
{uinti=0,j;
charw0;
w0=angle（）;
if（w0==450）
beep=1;
for（j=0;j<7;j++）
{
charw1;
w1=angle（）;
if（w1{
while（w1==w0-18）
{
CONPORT=roundz[i];
w0=w1;
i++;
if（i>4）
i=0;
}
}
else
{while（w1==w0+18）
{
CONPORT=roundf[i];
w0=w1;
i++;
if（i>4）
i=0;
}
}
}
}
voidmain（）
{while
（1）
{wela=0;
dula=0;
dianji（）;
}
}
（3）为使光斑照射在靶纸的固定一条中心线上，则需在摆杆到达最高点时，调整平板角度。
当摆杆开始下降时，每达到步进机旋转一步的角度后，单片机就给步进机驱动电路一个脉冲信号。
从而在摆杆摆动过程中，光斑照在中心线上。
步进机程序代码如下：
voiddianji（）
{uinti=0,j,k;
charw0;
charw1;
w0=angle（）;
if（w0==450）
beep=1;
k=36;
while（k--）
{
CONPORT=roundz[i];
i++;
if（i>4）
i=0;
delayms（100）;
}
wela=1;
P0=0xfe;
wela=0;
dula=1;
P0=0x3f;
dula=0;
delayms（100）;//放手
for（j=0;j<7;j++）
{w0=450;
w1=angle（）;
if（w1{
while（w1==w0-18）
{
CONPORT=roundz[i];
w0=w1;
i++;
if（i>4）
i=0;
}
}
else
{while（w1==w0+18）
{
CONPORT=roundf[i];
w0=w1;
i++;
if（i>4）
i=0;
}
}
}
}
voidmain（）
{while
（1）
{
uintangle（）;
dianji（）;
}
}
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