全国电子设计大赛基于单摆的平衡系统报告.docx
《全国电子设计大赛基于单摆的平衡系统报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《全国电子设计大赛基于单摆的平衡系统报告.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
全国电子设计大赛基于单摆的平衡系统报告
2011年全国大学生电子设计竞赛
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
本系统设计是以角度传感器和单片机最小系统为核心。
用角度传感器来采集数据，通过A/D模块将采集的模拟量转化为数字量，由单片机控制步进电机来调整平板在单摆摆动过程中得角度，保证硬币不掉。
信号采集是MMA7260三轴加速度传感器，该传感器采用了信号调整、单级低通滤波器和温度补偿技术，提供四个灵敏度的选择。
信号采集后由单片机进行监控，1602液晶显示器完成相关电压测量参数的显示功能，并通过步进电机来事实调控平板的角度，最终实现单摆硬币不掉功能。
关键字：
角度传感器，A/D转换，电机驱动
一、方案设计
1.1理论分析
根据题目要求，要实现自由摆的平衡控制，必须要解决平板在摆动过程中角度的实时调动，经过讨论设计大致框图如下：
采集单摆信号
角度传感器机械单摆
程序
控制
A/D转换模块单片机最小系统电机驱动
1.2设计方案的分析
1.2.1传感器芯片的选择
方案一：
单摆在摆动过程中要通过传感器来收集角度变化信号，选择角度传感器MPP2882芯片，该芯片轴每转过1/16圈，角度传感器就会计数一次。
往一个方向转动时，计数增加，转动方向改变时，计数减少。
计数与角度传感器的初始位置有关。
但是，单摆在摆动时偏角范围在0~60度，此芯片的计数间隔太大不能满足平板的实时转动。
方案二：
传感器芯片MMA7260是一种低功耗，低压运行，高灵敏度的三轴加速度传感器，单摆在摆动时只需要芯片检测X、Y轴方向上得加速度。
可以通过G1、G2引脚电平的控制来选择该芯片的灵敏度。
MMA7260在不同状态下X、Y根据角度的不同输出电压值。
芯片设计稳定，防震能力强，环保封装，价格低廉。
通过以上分析，决定使用方案二。
MMA7260在随着单摆摆动时，根据不同的方向变化来输出不同的电压，输出电压由A/D0804把采集到的模拟量转化为数字量，通过函数关系来确定电压来控制步进电机的转动。
1.2.2电机的选择
方案一：
最初我们选用电机型号为28BYJ—485VDC步进电机，该电机的减速比为1/64，步距角为5.625度/64，四相八拍的驱动方式。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。
可以通过控制脉冲个来控制角位移量，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。
但该电机的功率较小无法完成在一个周期内转动360度，因此放弃。
方案二：
选取电机42BYGHM612二相四线的驱动。
步距角为0.9度，相电压（V）:
2.4~11.2相电流（A）:
0.4~2.4相电阻（Ω）:
1~28 该电机的电流为0.6A，功率较大
通过实际验证测量，方案二的电机可以满足摆杆摆动一个周期电机转动360度。
1.3理论分析计算
单摆的周期为T=
，完成基本要求
（1）要把步进电机的转动周期也设定为T。
在用手推动摆杆至角度30度时，调整平板角度，松手后必须保证硬币不从平板上掉下，通过计算和实际的多次操作演示得出，在
处平板与水平夹角为
左右，松手后的第一个1/4周期平板逐渐变水平，在过摆的中线时水平版与杆垂直，在以后的摆动过程中硬币将不会掉落。
当在平板上放置8个硬币时，通过受力分析可得最上面的硬币在摆动的过程中加速度最小，因此很容易从平板上滑落，应当控制平板在摆动过程中向下倾斜，在最低点处平板与摆杆垂直。
摆动数据采集为左右摆动60度，以每
为一个角度单位采集一次传感器的采集数据，从而通过控制程序来实现平板的转动。
二、模块功能的实现
2.1角度传感器模块
选取角度传感器芯片MMA7260三轴加速度传感器，3.3伏电压供电，G1、G2量程选择控制。
将角度传感器纵向贴在摆杆上随摆杆自由摆动，在摆动时传感器的会采集横向和纵向的加速度的变化，以模拟电信号输出，该芯片有四个测量范围的档位可供选择。
传感器在不同状态下的输出电压值：
正向（与地面垂直）：
X=1.65v左旋180度X=1.65v
Y=0.85vY=2.45v
Z=1.65vZ=1.65v
左旋90度：
X=2.45v左旋360度X=0.85
Y=1.65vY=1.65v
Z=1.65vZ=1.65v
2.2A/D模块
A/D模块使用的芯片是ADC0804，该芯片是COMS八位依次逼近型的AD转换器，转换时间为100us，正负误差1LSB。
时钟输入或振荡元件频率限制在100KHZ~1460KHZ,如果使用RC电路其振荡频率为1/（1.1RC）。
差动模拟电压输入，输入单端正电压时，VIN（-）接地，而差动输入时直接加VIN（+）,VIN（-）。
2.3单片机驱动电机模块
单片机型号为STC89C52，外围通过1602显示屏来显示加速传感器电压值的变化。
单片机控制电机驱动来随着摆杆的转动来调节平板的角度。
2.4电源模块
采用USB5V电源供总电源，由于MMA7260角度传感器正常工作电压为3.3V，所以设计了5V转3.3V降压电路，选用专用稳压芯片AMS1117，这样可以省去另外加电源电路的繁琐，并且电源输入模块也都进行了滤波设计（加滤波电容）。
电源模块如下：
三、程序框图
采集数据
查找
Y
角度
N
四、系统测量及误差分析
4.1系统测量
4.1.1根据要求1，单摆摆动一个周期平板也要转动
，实际对平板系统测量中单摆摆动一周期，平板转动在
以内，基本满足要求1。
4.1.2在将硬币放在平板上做单摆是，先将摆拉到一定角度，并调整平板模式，使得平板倾斜一定角度，因为在硬币受力分析可知，硬币很可能会因为突然改变的向心力将其甩出去，所以在调整时，必须倾斜一定角度，这样可以借助摩擦力的作用将硬币拖住随板摆动。
只要运行到基点位置时，板与杆垂直，之后不再变动平板，只要这样的向心力就可以将硬币稳住，通过实际测量，基本上与理论分析一致。
如果是将8枚硬币一起放在平板上时，实际测得硬币会在摆动过程中陆续掉落或偏移中心位置。
4.1.3在发挥部分的测量中，通过前面的模式，我们可以通过程序采样换算，推拉摆杆到
再来调整平板角度，使激光灯尽量指向中心线。
4.2误差分析
4.1对单摆摆动过程中角度采样，量角器测量角度的误差。
4.2单摆在摆动过程中转轴与横杆之间的摩擦和摆杆质地不均匀引起的误差。
4.3单摆周期的计算，空气阻力和风向的影响。
4.4电机在转动的过程中与摆杆会有轻微的抖动。
五、作品的改进提高
本次作品还有许多的不足和改进的地方，如角度传感器的加速度传感会产生抖动的误差，在平板上如果再加一个度传感器会更好的调整平板的角度，单摆的支架可以更加精细以减小误差，布线还不是很美观。
附：
以5度每采样值的数值表：
角度（单位度）
采集值1
采集值2
采集值3
采集值4
采集值5
平均值
0
1.70V
1.72V
1.74V
1.64V
1.68V
1.702V
5
1.58V
1.58V
1.56V
1.62V
1.60V
1.585V
10
1.54V
1.56V
1.50V
1.51V
1.54V
1.54V
15
1.51V
1.50V
1.50V
1.49V
1.52V
1.521V
20
1.37V
1.41V
1.39V
1.43V
1.38V
1.40V
25
1.29V
1.31V
1.29V
1.33V
1.31V
1.325V
30
1.23V
1.25V
1.21V
1.21V
1.25V
1.235V
35
1.19V
1.17V
1.19V
1.19V
1.21V
1.195V
40
1.17V
1.11V
1.15V
1.21V
1.15V
1.163V
45
1.09V
1.15V
1.11V
1.09V
1.11V
1.106V
50
1.01V
1.05V
1.09V
1.03V
1.07V
1.064V
55
1.03V
1.09V
1.01V
1.06V
1.05V
1.056V
60
1.01V
1.00V
1.01V
1.03V
0.99V
1.018V
-5
1.76V
1.76V
1.78V
1.82V
1.75V
1.784V
-10
1.90V
1.85V
1.92V
1.88V
1.92V
1.893V
-15
1.96V
1.96V
1.94V
1.92V
1.92V
1.924V
-20
2.01V
2.09V
1.90V
2.01V
2.01V
2.007V
-25
2.00V
2.01V
1.98V
2.01V
2.05V
2.083V
-30
2.09V
2.09V
2.17V
2.13V
2.11V
2.118V
-35
2.13V
2.11V
2.17V
2.15V
2.13V
2.146V
-40
2.19V
2.23V
2.19V
2.27V
2.29V
2.240V
-45
2.29V
2.27V
2.33V
2.31V
2.27V
2.294V
-50
2.39V
2.35V
2.47V
2.37V
2.45V
2.342V
-55
2.45V
2.37V
2.41V
2.35V
2.39V
2.390V
-60
2.49V
2.45V
2.43V
2.47V
2.45V
2.462V
电机转动角度控制程序：
voidmove（ucharde,floatq,ucharv）//方向（0正1反）角度速度
{
floatc,h;
ucharN=4,d,r;
c=（q/3.60）;
h=（c-（uint）c）*4;
for（d=0;d<（uint）c+1;d++）
{
if（d==（uint）c）{N=（uint）h;d++;}
for（r=0;r{
if（de==0）
{
P3=FFW[r];
delay1ms（v）;
}
else
{
P3=REV[r];
delay1ms（v）;
}
}
}
}
ucharjiaodu（uintvcc）
{
ucharq=0,i;
for（i=24;i>=0;i--）{
if（V_Q[i]>vcc）
{
q=i;break;
}
}
returnq;
中断实时显示程序：
voidtime（）interrupt1
{
ucharqv;
TH0=（65536-50000）/256;
TL0=（65536-50000）%256;
ad_en（）;
delay1ms（5）;
adval=ad_read（）;
jindu=256/5;
A1=adval/jindu;//个位数
A2=adval%jindu*10/jindu;//十分位数
A3=adval%jindu*10%jindu*10/jindu;//千分位数
A4=adval%jindu*100%jindu*10%jindu*10/jindu;//万分位数
q=jiaodu（A1*1000+A2*100+A3*10+A4）;
if（q<12）{
display（（（12-q）*5）/10,（（12-q）*5）%10,A1,A2,A3,A4）;
}else{
display（（（q-12）*5）/10,（（q-12）*5）%10,A1,A2,A3,A4）;
}
//VD=A1*1000+A2*100+A3*10+A4;
}
升级会员 