自适应平衡调整系统的研制毕业设计.docx

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自适应平衡调整系统的研制毕业设计

自适应平衡调整系统的研制

摘要：

系统由驱动部分和控制部分组成，驱动部分采用H桥驱动，控制部分由ARM单片机STM32、角度探测与采集电路、误差补偿电路、接收信号电路与发射信号电路组成。

整个系统由传感器部分作为主要控制部分，调整部分为受控部分，受传感器的控制，使放在平板上的硬币和激光笔保持平稳。

电路用陀螺仪进行角度的探测，用SPI和I2C总线通信，每个环节都配有必要的反馈、前馈和保护电路，角度探测电路就配有过压保护和过流保护，ARM单片机上面同样配有过压保护和限流保护，而且使用的是外部晶振，有足够的能力对系统里面的数据进行运算。

本系统成本低，通信模块稳定，控制部分功耗低廉，电源利用率高，满足设计要求。

关键词：

H桥驱动电路；STM32ARM单片机；陀螺仪；外部晶振；

TheResearchofAdaptiveBalancedSystem

Abstract:

Thesystemwasconsistedofthedrivingpartsandcontrolparts,withtheH-bridgedriverforcingthedrivingpart.Exactly,thecontrolsectionswerecomposedoftheARMmicrocontrollerSTM32,theangleofdetectionanddataacquisitioncircuit,errorcompensationcircuit,thecircuitofthereceivedsignalandtheemissionsignalcircuit.Thesensorpartswerethemainlycontrolledbytheoperationsectionsofthesystemtomanageotheradjustingparts.Handledbythesensor,thecoinsontheplate,andlaserpointerwereavailableofremainingstable.SPIandI2CbuscommunicationwasusedtotransmitthedatefromAngledetectioncircuitgyroscope,withdetectioncircuitsfortheovervoltageandovercurrentprotection.Similarly,ARMMCUwasalsocapableofover-voltageprotectionandcurrentlimitingprotection.Moreover,itwasequippedwithanexternalcrystal,whichhadsufficientcalibertooperatethesystem.Overall,thissystemwasobtainingthestabilityofthecommunicationmodule,economical,andefficiently,whichmettherequirements.

Keywords:

H-bridgedrivercircuit;STM32ARMmicrocontroller;gyroscope;externalcrystal;

1系统方案确定

1.1题目解析

根据命题要求，设计并制作一个基于自由摆的平板控制装置，实现对平板上放置物品所处的角度进行正确调整。

该装置由1个H桥驱动电路和基于STM32ARM单片机的控制电路组成。

控制电路用陀螺仪来进行角度的探测与采样。

主要性能指标有：

（1）制造1个硬币单摆机械结构如图1和1个激光笔单摆机械结构如图2所示，机械结构的精度要求上面的支撑轴与摆杆的垂直度误差不能超过0.5°，摆杆与电机轴的垂直误差也不能超过±0.5°。

（2）设计一个角度传感器，此角度传感器的误差也不能超过±0.5°，信号反馈延迟时间不能超过1ms。

（3）设计一个驱动电路，此驱动电路的效率要达到95%，驱动管不能发热。

（4）设计一个反馈电路，反馈当前角度反馈是否正确，并进行实时补偿，保证反馈信息正确率99%以上。

图1硬币摆动机械结构图

Figure1CoinsoscillatingmechanicalstructureofFigure

摆杆摆动时其角速度随公式变化，公式为：

α=arctan（y/z）

（1）

α：

变化角速度

y：

y轴角速度变化

z：

z轴角速度变化

图2激光笔对线机械结构图

Figure2Laserpointeronthelinemechanicalstructurediagram

1）主控系统选择

方案一：

使用传统51单片机作为主控制器，价格低廉，但其运算速度慢，片内资源少，存储容量小，难以实现复杂的算法。

方案二：

使用FPGA，CPLD等大规模可编程逻辑控制器件，其时钟频率很高，运算速度很快，但不适合于该题目。

方案三：

选用STM32ARM单片机作为主控制器，控制通信模式的选择，以及传感器的数据发送与接收

方案比较：

由于STM32ARM单片机性能强劲。

在相同的主频下能做处理更多的任务，全力支持劲爆的程序设计。

功耗低。

实时性好。

采用了很前卫甚至革命性的设计理念，使它能极速地响应中断，而且响应中断所需的周期数是确定的。

代码密度得到很大改善,一方面力挺大型应用程序，另一方面为低成本设计而省吃俭用。

STM32ARM单片机使用更方便。

现在从8位/16位处理器转到32位处理器之风刮得越来越猛，更简单的编程模型和更透彻的调试系统，为与时俱进的人们大大减负。

低成本的整体解决方案。

综合比较，选择方案三。

2）角度测量

方案一：

使用双轴倾角传感器SCA103T-D04，测量范围为±15度，可适用于垂直方向的各种角度的测量。

方案二：

使用电位器作为角度传感器，由于不同角度输出的电阻值不同，通过AD采样电阻两端电压，计算得到角度。

方案三：

传感器模块选用L3G4200D陀螺仪进行角度的探测与采集，通过单片机的不同模式对陀螺仪的数据进行接收、处理，然后发送给陀螺仪，使陀螺仪对角度进行进一步的矫正。

方案比较：

对于方案一，虽然SCA103T精度较高，但它是基于加速度原理进行测量，使用SCA103T进行倾角检测时，应保证被测设备匀速运动，否则会引进误差，而在自由摆系统中，平板不是匀速运动。

虽然可以采用峰值滤波和一阶惯性滤波相结合的方式通过软件编程进行处理，但较繁琐。

对于方案二，对于一般的电位器，线性度较差，而对于线性度较好的电位器，如22HP-10等。

对于方案三，L3G4200D陀螺仪是三轴共用一个感应结构，这一突破性概念可以消除轴与轴之间的信号干扰，避免输出信号受到干扰信号的影响。

L3G4200D陀螺仪量程范围从±250dps到±2000dps，低量程数值用于高精度慢速运动测量，而高量程则用于测量超快速的手势和运动。

这款器件提供一个16位数据输出，以及可配置的低通和高通滤波器等嵌入式数字功能。

就算时间推移或温度变化，这款器件仍然保持连续稳定的输出。

内置数字输出的L3G4200D3轴MEMS陀螺仪的设计和制造采用意法半导体销售量超过6亿支的运动传感器的制程技术。

综合考虑，选择方案三测量自由摆运动过程中的摆角。

3）电机选择

方案一：

使用伺服电机作为执行元件，运行精确，能高速制动，惯量小，适合闭环控制。

方案二：

使用步进电机作为执行元件，由于步进电机是采用脉冲驱动，精度较高，适合开环控制。

方案比较：

因步进电机达不到系统所要求的精度，失步会引起控制误差，而且其转速太慢，而伺服电机的高精度特点就很容易满足要求，所以最终选择了伺服电机。

综合考虑，选择方案一。

1.2系统总体设计方案

根据试题的要求，设计需要由三个部分组成：

一是单片机处理模块，二是角度传感器模块，三是驱动模块。

下面分别从这三个方面阐述方案的设计思想。

1.2.1单片机处理模块设计

单片机处理模块的CPU我们准备了3个方案，分别是51单片机、AVR单片机、ARM单片机，后来考虑到51单片机和AVR单片机不能满足此单摆系统对精度方面的要求，而且51单片机和AVR单片机程序内存flash也不够，不能完全存储单摆系统的所有程序，所以选择ARM单片机STM32。

图3单片机处理模块设计方框图

Figure3Single-chipprocessingmoduledesignblockdiagram

单片机处理模块设计方案如图3所示单片机模块，选用STM32ARM单片机作为主控制器，控制通信模式的选择，以及传感器的数据发送与接收。

使用L3G4200D陀螺仪作为角度传感器，经AD采样，读取当前自由摆的角度值。

使用红外收发管检测是否松开了摆杆，若检测到高电平，说明手已经松开，触发中断，此时的AD采样值即为起始摆角。

使用补偿电路，矫正陀螺仪在采集数据时的失真。

采用前馈控制系统，通过控制器控制步进电机的运动，使其运动达到要求。

同时，可以在LCD显示一些测量数据和功能列表，供用户选择，同时LED灯在一些功能中也会点亮。

1.2.2传感器模块设计

陀螺仪是利用各种原理制成的角运动检测装置，大多数陀螺仪利用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。

陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。

人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。

陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。

然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。

在现实生活中，陀螺仪发生的进给运动是在重力力矩的作用下发生的。

陀螺仪被广泛用于航空、航天和航海领域。

这是由于它的两个基本特性：

一为定轴性（inertiaorrigidity），另一是进动性（precession），这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。

定轴性

当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定的方向；同时反抗任何改变转子轴向的力量。

这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或稳定性。

其稳定性随以下的物理量而改变：

1）转子的转动惯量愈大，稳定性愈好；

2）转子角速度愈大，稳定性愈好。

所谓的“转动惯量”，是描述刚体在转动中的惯性大小的物理量。

当以相同的力矩分别作用于两个绕定轴转动的不同刚体时，它们所获得的角速度一般是不一样的，转动惯量大的刚体所获得的角速度小，也就是保持原有转动状态的惯性大；反之，转动惯量小的刚体所获得的角速度大，也就是保持原有转动状态的惯性小。

进动性

当转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动；若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。

其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。

这种特性，叫做陀螺仪的进动性。

进动角速度的方向取决于动量矩H的方向（与转子自转角速度矢量的方向一致）和外力矩M的方向，而且是自转角速度矢量以最短的路径追赶外力矩。

如右图。

进动方向

这可用右手定则判定。

即伸直右手，大拇指与食指垂直，手指顺着自转轴的方向，手掌朝外力矩的正方向，然后手掌与4指弯曲握拳，则大拇指的方向就是进动角速度的方向。

进动角速度的大小取决于转子动量矩H的大小