基于自由摆的平板控制系统B题概要.docx
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基于自由摆的平板控制系统B题概要
竞赛题号:
B
题
基于自由摆的平板控制系统（B题
摘要
本系统以宏晶科技推出的STC89C52RC单片机为系统的控制核心,选用高精度SCA60C单轴倾角传感器作为角度测量装置,通过ADC0807模数转换器将角度传感器采集的电压信号转换成数字量送给单片机处理,单片机的数条端口线直接去控制28BYJ48步进电动机的各相驱动电路,无环形分配器,驱动系统采用ULN2003AN驱动器。
控制系统发出时钟脉冲的频率或换相周期实现对步进机运行速度的控制,以实现基本部分和发挥部分的要求。
关键字:
STC89C52RC单片机,ADC0807模数转换器,SCA60C单轴倾角传感器,28BYJ48步进电动机,ULN2003AN驱动器
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目录
引言（1
一、总体方案设计（2
1.1方案比较与选择（2
1.1.1核心芯片和算法的确定:
（2
1.1.2传感器的选择:
（2
1.2系统总体方案描述（3
二、电路分析与设计（4
2.1数据采集模块（4
2.1.1SCA60C单轴倾角传感器（4
2.1.2模数转换器（5
2.2控制驱动模块（6
2.2.1单片机最小系统电路（6
2.2.2驱动电路（7
三、软件设计（7
3.1数据采集模式（7
3.2控制驱动模块（8
3.3人际互动模式（8
四、结论（8
参考资料（9
附录（9
引言
随着计算机软件技术水平的不断提高和电子技术突飞猛进的发展,测控技术在社会生产生活中发挥着无法估量的重要作用。
近年来,新型微处理器的速度不断提高,采用流水线、RISC结构和cachE等先进技术,又极大提高了计算机的数值处理能力和速度。
在数据采集方面,数据采集卡、仪器放大器、数字信号处理芯片等技术的不断升级和更新,也有效地加快了数据采集的速率和效率。
与计算机技术紧密结合,已是当今仪器与测控技术发展的主潮流。
对微机化仪器作一具体分析后,不难见,配以相应软件和硬件的计算机将能够完成许多仪器、仪表的功能,实质上相当于一台多功能的通用测量仪器。
这样的现代仪器设备的功能已不再由按钮和开关的数量来限定,而是取决于其中存储器内装有软件的多少。
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从这个意义上可认为,计算机与现代仪器设备日渐趋同,两者间已表现出全局意义上的相通性。
据此,有人提出了“计算机就是仪器,软件就是仪器”的概念。
本系统作为测控技术中一个基于自由摆的平板控制系统,设计目标在于以此为参考对测控技术作简单阐述。
一、总体方案设计
1.1方案比较与选择
仔细分析题目得知,保证自由摆在摆动过程中保持平板的相对平衡是本题的一大难点,重点设计应在于控制系统的的核心设计（核心芯片和算法设计和角度的测量,同时考虑到所学知识的范围,要从以下方案中选择:
1.1.1核心芯片和算法的确定:
方案一:
FPGA控制。
由FPGA来完成采集和信号处理等底层的核心计算。
方案二:
单片机控制。
由单片机来完成信号调理、采集和信号处理等底层的核心计算。
方案二的优点在于传统的单片机应用为广大用户所熟知,其机械操控简单,有比较完备的指令系统,同其他芯片的衔接方便而且程序的编写相对容易。
对于完成简单的测控系统绰绰有余。
1.1.2传感器的选择:
方案一:
MMA7455加速度传感器。
可将MMA7455加速度传感器固定在平板下方,让加速度传感器得到的加速度值,通过PID算法控制步进电机,使得平板上物体有其额定方向的加速度,实现系统平衡。
方案二:
SCA60C单轴倾角传感器。
同样可将其固定在摆杆上,测量摆杆与竖直方向的夹角,实现对数据的采集类似于MMA7455。
本系统选用方案二,原因在于MMA7455在应用过程中容易发生抖动,使得平板不稳定严重影响到实验结果。
相对SCA60C是一种角度精确度比较高的传感器,抗冲击能力强,能耗低更适合平衡小车和单摆系统等,更容易实现题设要求。
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1.2系统总体方案描述
本系统采用STC89C52作为数据处理和控制核心,将设计任务划分为数据采集模块、控制驱动模块、步进电机和自由摆本体、人际互动模块等几大部分。
在系统中,可通过角度传感器的反馈获得摆杆的旋转倾角,控制驱动模块实时读取传感器反馈的数据,确定控制决策（电机应该向哪个方向转动、转动速度、加速度等,同时控制模块通过处理器内部的PID控制算法实现该控制决策,产生相应的控制量,使电机转动,从而带动被控对象运动,达到目标运动状态。
系统整体框图如图一
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数据采集模块由传感器电路和模数转换电路等共同组成,完成模拟信号到数字信号的转换。
SCA60C单轴倾角传感器作为检测系统的信息反馈通道,主要是对自由摆摆杆垂直方向倾斜角度的检测。
将角度传感器自由摆的摆杆相连,摆杆摆动对应的角度变化与传感器的电位变化成比例,输出电压通过模数转换器转换成单片机能够识别的有效电平。
控制驱动模块是平板控制系统的核心部分。
接收来自通过模数转换器的角度相对应的电平数据,根据给定的控制算法计算出控制量,控制量加载到驱动芯片ULN2003AN完成对电动机转速和方向的控制。
电动机和自由摆本体完成对该项比赛的具体任务要求。
人机交互模块由LCD、发光二极管以及键盘电路组成;LCD1602作为信息显示,键盘电路选用4×4矩阵键盘,方便功能扩展。
二、电路分析与设计
2.1数据采集模块
2.1.1SCA60C单轴倾角传感器
传感器是能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。
由敏感元件、转换元件、转换电路3部分组成,其中敏感元件感受被测量,并将被测非电信号按一定对应关系转换为易于转换为电信号的另一种非电量;转换元件将敏感元件输出的非电信号转换成电信号（包括电参量和电能量转换:
转换电路将转换元件输出的电量信号转换为便一于显示、处理、传输的电信号。
为了实现高精度的倾角检测,本次设计使用高精度SCA60C单轴倾角传感器。
具体引脚连接,见图二
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2.1.2模数转换器
AD转换器是采集系统的核心,在整个系统中占有重要的地位。
通过转换,将信息由模拟信号转换成数字信号。
图三为ADC输入通道的保护电路。
因为ADC允许的输入范围是0~3V,为了防止电压大范围的波动,在AD输入端加一限压保护电路,通常采用钳位保护二极管。
为了抑制串入ADC输入信号上的干扰,要进行低通或带通滤波。
RC滤波是最常见也是成本最低的一种选择,并且电阻R
还起到限流作用。
见图三
2.2控制驱动模块
2.2.1单片机最小系统电路
最小系统电路是单片机能工作所必需的电路结构,包括CPU、I/O口、时钟、复位电路、晶振以及起振电容。
见图四
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2.2.2驱动电路
驱动电路由ARM控制器一个输出作为脉冲控制信号CLK-X,另选一IO口作为方向控制信号CW-X。
隔离放大后的CLK、CW作为ULN2003AN驱动器的输入控制信号。
控制板和电机驱动板采用分别供电的方式进行电源隔离,利用光耦传输信号,可以将电动机工作造成的干扰彻底消除,提高系统稳定性。
ULN2003AN的逻辑输入电压为5V。
三、软件设计
3.1数据采集模式
首先让输入电压经过ADC0807将模拟量转换为数字量。
由传感器电路和
A
9/D转换电路两部分组成,采样电路结构框图如图五,该过程相应程序见附录。
3.2控制驱动模块
控制驱动模块以STC89C52RC为核心,将收到的数字量通过PID算法处理。
系统对步进机加减速控制实际上就是改变输出脉冲的频率。
步进电机的驱动控制器主要由脉冲发生器、脉冲分配器
（环形分配器和功率放大器等环节组成,如图六。
PID算法和控制程序见附录。
3.3人际互动模式
通过按键控制切换不同的任务功能,同时通过1602显示传达信息给操控者,使得其能做出相应的判断。
基本程序见附录。
四、结论
设计完成了题目的基本部分的大部分要求。
为实现题设功能,系统划分为四大模块:
数据采集模块、控制驱动模块、电动机与自由摆以及人机交互模块。
在基本部分这些模块均达设定的任务要求。
由于准备不充分发挥部分未能按时完
成。
通过我们加深了对模拟电路理论，自动控制理论，单片机理论的掌握，特别是对系统和工程的概念有了深刻的理解，为以后进行相关方面的设计打下了基础，同时也提高了自己动手处理实际问题能力，一定程度上改变了我们在以前的学习中普遍存在的“重理论，轻动手”的不合理的学习习惯。
在设计调试过程中我们小组成员积极对待，分工合作，合理规划，共同努力，最终完成了这次设计。
最后，我们对这次大赛的各级组委会及辅导老师表示感谢。
参考资料[1]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京：
北京理工大学出版社.2007.[2]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计[M].北京：
北京航天航空大学出版社.2006.[3]朱秀梅.基于Cortex-M3ARM的自由摆平衡控制系统的研究[J].东南大学.2010[4]朱发西、施亿生.计算机辅助实验系统[J].上海交通大学学报.1991.附录10
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