基于自由摆的平板控制系统Word格式文档下载.docx
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4.3结果分析8
结束语9
附件一完整的电路原理图10
附件二测试结果12
附录三重要的源程序13
第一章系统设计及方案论证与比较
1.1系统总体方案设计
根据题目给定的条件，我们设计的方案总体上由单片机系统模块，电机控制模块，语音模块和传感器模块四部分组成。
单片机系统由复位电路和电源电路组成。
传感器模块由角度传感器组成，它将测量到的角度发送给单片机系统分析，从而使单片机系统控制电机转动。
系统框图如图B-1。
图B-1系统框图
1.2方案的设计与论证
1.2.1控制模块的选择
方案一：
使用89C51单片机
该单片机有5个中断口，1个串口，2个定时器，缺点是反应速度比较慢。
方案二：
使用STC12C5A60S2单片机
该单片机由9个中断口，有2个串口，具有独立波特率发生器，内部扩展RAM，速度是传统单片机的12倍。
分析两个方案，本系统采用第二种方案。
1.2.2电机的选择
使用直流电机
直流电机具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，较高的效率，优异的动态特性。
但是直流电机位置控制难度大，难以达到较高的控制精度。
使用步进电机
步进电机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转换成相应的角位移（或线位移）。
步进电机的动态响应快，易于起停，正反转及变速。
在非超载的情况下，它的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累计误差等特点，使得它可以达到很高的控制精度，且控制难度要比直流电机小得多。
分析两个方案的优缺点，本系统采用第二种方案。
1.2.3电机驱动的选择
采用步进电机专用的驱动器
此方案能为步进电机提供稳定的工作电压和工作电流。
但是其价格十分昂贵，重量较大，而对于本系统电机不需要带大负载，也对驱动器没有过高的要求。
采用ULN2003A电机驱动芯片
ULN2003A可方便驱动步进电机，且外围电路简单、原件少、重量轻，造价便宜且方便。
但是它只能驱动四相步进电机。
如果用于驱动直流电机的话只能按一个方向转动，换向要改变电机的接法。
方案三：
采用专用集成电路芯片L298
用集成电路芯片L298驱动电机，它电子开关的速度快，稳定性强，且它的外围器件成本低，使整机可靠性提高。
适合驱动二相或四相的步进电机。
该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，配合PWM技术，具有良好的抗干扰性能。
分析三个方案，我们选用第三方案。
第二章理论分析及计算
2.1平板状态测量方法
该平板状态测量要求较高的分辨率，所以我们使用的是双轴倾斜测量。
测量方法如图B-2。
图B-2
双轴倾斜测量的首要优势来是两轴的垂直关系。
随着某个轴的增量灵敏度的降低，另一轴的增量灵敏度会增加。
如图B-3。
图B-3
双轴倾斜测量第二优势是对重心面对齐度的依赖性降低，因为有效增量灵敏度与目标轴重力的和平方根值具有比例关系。
双轴倾斜测量第三优势是全角度360°
检测，如图B-4。
图B-4
2.2建模与控制方法
摆杆上和平板上一共两个角度传感器，将摆杆上的角度传感器测出摆杆的角度设为x，平板上的角度传感器测出的平板角度设为y。
如图B-5。
再由几何图形的角度运算得出以下关系：
当摆杆在中心右侧时为
当摆杆在中心左侧时为
第三章电路与程序设计
3.1硬件电路设计
3.1.1主控电路设计
主控电路设计如图B-6所示，系统中采用一片STC12C5A60S2作为主控制芯片。
图B-6主控电路
3.1.2步进电机驱动电路设计
步进电机驱动电路设计与实现，如图B-7所示。
图B-7步进电机驱动电路
3.1.3角度传感器电路设计
角度传感器电路设计与实现，如图B-8所示。
图B-8角度传感器电路
3.2软件程序设计流程
软件流程图如图B-9显示。
图B-9软件流程图
第四章测试结果及分析
测试仪器有：
直尺，量角器和秒表。
4.1测试步骤
1）我们用秒表计算摆杆摆动周期。
2）用量角器量出摆杆的起始摆动角度，并记录实验数据。
3）用直尺测量激光笔照射靶子上的光斑离靶子上中心线的距离，并记录下来。
4.2测试结果
根据题目要求，我们做了一下测试，并记录一些实验结果。
如表B-1。
实验项目
实验次数1
实验次数2
实验次数3
摆杆摆动一周期，平板转动一周
平板转动误差
10°
0°
在平板上放上一枚硬币，摆动时滑落平板中心的距离
滑落平板中心距离
当摆杆为30°
当摆杆为35°
当摆杆为45°
2cm
4cm
5cm
摆杆摆定角度，在平板上放8枚硬币，摆动时滑落硬币数
硬币掉落数
当摆杆为55°
当摆杆为60°
3
6
4
5
摆杆摆定角度，在一定时间内，激光笔的光斑照到靶子上离中心线的距离
靶子上光斑离中心线的距离
0cm
1cm
表B-1
4.3结果分析
经过本次试验结果，我们发现影响系统性能的因素除电路设计外，主要还有还有以下几点：
1）角度传感器的安装位置，对其检测效果的影响很大。
2）控制算法，PID参数直接决定系统是否稳定，影响系统的控制精度。
结束语
经过这些天的比赛，我们在硬件上与软件上实现了题目的各项要求。
在硬件上我们应用到传感器的调制技术，用PWM技术的使用则解决了电动机驱动的效率问题。
还添加了语音和显示屏，使硬件更加生动。
在软件上，我们灵活使用单片机STC12C5A60S2，使它完成了步进电机的驱动和传感器的使用。
很好的完成题目的各项要求。
附件一完整的电路原理图
电机驱动电路
单
片
机
最
小
系
统
角度传感器
语音模块
显示模块
附件二测试结果
1、摆杆摆动一周期，平板转动一周，记录平板转动误差。
次数
平板实际转动角度
误差
1
360°
10°
2
0
2、在平板上放上一枚硬币，摆动时滑落平板中心的距离。
摆杆摆定的起始角度
30°
35°
4cm
40°
45°
5cm
3、摆杆摆定角度，在平板上放8枚硬币，摆动时滑落硬币数。
掉落的硬币数
3
55°
6
4
6
7
60°
5
8
9
4、摆杆摆定角度，在一定时间内，激光笔的光斑照到靶子上离中心线的距离。
摆杆摆定的角度
光斑偏离中心线的距离
30°
35°
40°
45°
50°
55°
60°
附录三重要的源程序
voidmain（void）
{
unsignedcharcoin_flag=0;
unsignedcharLCD_contrast=0xbe;
//此值对比度合适
unsignedcharread_angle_flag=0;
key1=1;
key2=1;
key3=1;
key4=1;
P4SW=0x70;
/*0bx111xxxx,将P4.4、P4.5、P4.6设置为I/O脚*/
P4M1=0x00;
/*0b00000000,设置P4.4、P4.5、P4.6为准双向口*/
P4M0=0x00;
/*0b00000000*/
Init_ADXL345（）;
//初始化ADXL345
LCD5510_Init（）;
LCD_clr_scr（）;
//清屏
delayms（200）;
LCD_showsh（0,0,"
倾角"
）;
LCD_prints8x16（4,0,"
:
"
start_sys（）;
//启动系统。
。
语音
while
（1）//循环
{
if（key1==0）//修正到水平
{
correct_angle（88）;
key1=1;
}
else
{
if（key2==0）//转360°
{
key2=1;
while（ir_key1==1）;
//先拉杆红外为高时，等待
turn_360（）;
//3周
}
if（key3==0）//硬币30
unsignedchari;
key3=1;
//先拉起红外为高时，等待
for（i=0;
i<
6;
i++）//先拉杆置红外对管，再开启开关，高变低
{
fan_zhou（）;
}
if（key4==0）//硬币60
key4=1;
while（ir_key2==1）;
7;
i++）//先拉杆置红外对管，再开启开关高变低
if（key5==0||k4==1）//静态激光
key5=1;
k4=1;
ET0=1;
if（key5==0）
{
read_angle_flag=1;
read_angle（）;
//读取角度。
ledok=1;
static_light（）;
LCD_printn8x16（5,0,turn_y,3）;
if（flag==1&
&
key4==0）
correct_light（）;
//校准激光。
switch（turn_y）
case30:
zhengzhuanquan（49）;
ledok=0;
light_complete（）;
break;
case35:
zhengzhuanquan（57）;
case40:
zhengzhuanquan（68）;
case45:
zhengzhuanquan（82）;
case50:
zhengzhuanquan（96）;
case55:
zhengzhuanquan（108）;
case60:
zhengzhuanquan（119）;
}
if（flag==2&
key4==0）//zuo
fanzhuanquan（52）;
fanzhuanquan（53）;
fanzhuanquan（64）;
fanzhuanquan（74）;
fanzhuanquan（86）;
fanzhuanquan（98）;
fanzhuanquan（109）;
if（key5==0||k5==1）//动态激光须放静态内部
k5=1;
correct（）;
//动态激光
}
}
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