基于自由摆的平板控制系统报告B题1.docx

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基于自由摆的平板控制系统报告B题1

基于自由摆的平板控制系统 

摘要:

本设计采用28BYJ48的5V驱动4相5线制的步进电机制作了一个自由摆上的平板控制系统，用高精度数字输出精密倾角传感器SCA100T采集摆动过程中平板的角度数据，通过多次采集取平均值的方法基于倾角转换公式将所采样的数据转换成角度反馈给单片机，由51单片机控制步进电机转动相应的角度，从而达到平板上的物体能始终保持平衡。

在数据采集的过程中采用了非线性误差校正等数据处理方法。

系统主要由摆架框架、数据采集部分、主控板、驱动系统、液晶显示五个功能模块组成。

本设计基本能完成自由摆在摆动过程中对平板的平衡控制，平板能够在自由摆摆动的一个周期中旋转一周，在平板放置一枚至多枚硬币时仍能够保持叠放状态并使硬币不从平板上滑落。

关键词：

测控系统，平板控制，51单片机，步进电机

1.系统方案

1.1实现方法

本题要求设计并制作一个自由摆上的平板控制系统，在自由摆的摆动过程中，使位于摆末端的平板始终保持水平状态。

我们想利用电机控制平板，角度传感器测量平板水平方向倾角来确定平板何时达到平衡，主要由以下三大部分组成①摆架框架：

包括摆架座、摆杆、轴承及弹性元件等，起支撑作用，平板位于摆杆末端的电机轴上；②检测系统：

通过传感器检测出平板工作台的角度变化，指示出不平衡度的大小，并经过一系列的数据处理后送给控制器；③控制驱动系统：

控制器通过对传感器输出信号的分析发出控制信号，经功率放大后控制电机的转动，带动平板尽快恢复平衡状态。

上述各模块的方案论证如下。

1.2方案论证

1.2.1控制器模块

方案一：

采用ATMEL公司的AT89C51。

51单片机价格便宜，应用广泛，简单，实用，资料多，市场需求大；另外51单片机能够实现软硬件调试，易于测试。

51单片机的乘法和除法指令编程也带来了便利，易于实现平板的平衡控制。

方案二：

设计采用TI公司的ARMCortex-M3内核处理器芯片LM3S1439作为中央处理器，处理器本身带有32KB的bit-bandedSRAM和96KB的Flash存储器，对于一般的控制应用，不需外扩数据／程序存储器，但是价格较高且对此RAM单片机的了解太少，短期内不能熟悉进行编程，给制作带来困难。

根据本题的要求并结合实际我们最终选择了第一种方案。

1.2.2电机模块

电机模块选择是整个方案设计的关键，按照设计要求，平板需在自由摆摆动的情况下达到平衡状态，这需要对平板的精确控制，而且平板的平衡性能要好。

因此普通直流电机不能满足要求。

方案一：

采用直流减速电机控制小车的运动，直流减速电机力矩大，转动速度快，但其制动能力差,无法达到小车及时停车的要求。

方案二：

采用28BYJ485V驱动的4相5线制的步进电机。

它是减速步进电机，体积小，减速比为1：

64，步进角为5.625/64度。

它的主要特性有：

步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。

改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向,符合题目的控制需求。

经过反复的比较、论证，我们最终选用了方案二。

该型号步进电机满足制作需要且加驱动器后与单片机接口简单，控制方便且。

|

1.2.3角度检测模块

角度检测模块也是系统的重要组成部分，我们需要利用角度传感器来测量平衡板水平方向倾角，当倾角在某个范围之内的时候即可认为跷跷板达到平衡态。

由于跷跷板的倾角不能太大要保证硬币不滑落，角度变化范围较小，因此要求角度传感器精度高，频率快。

目前市场上适合的传感器主要有以下两种。

方案一：

采用深圳市华夏磁电子技术开发有限公司的AME-B001角度传感器，0－360度测量范围，但是安装非常不方便，而且电压输出信号，采集不便。

方案二：

采用芬兰生产的高精度数字输出精密倾角传感器SCA100T。

它的测量范围±0.5g（±30°），±1.0g（±90°）且是双轴向倾角测量，体积小，便于安装，并拥有极好的抗过载与抗震能力。

在满足设计要求的前提下，考虑到接口、安装方便等因素,我们选择了方案二。

1.2.4电源模块

方案一：

铅酸电池供电，优点电流大，缺点重量太沉。

使制作成本增加结构繁琐。

方案二：

使用USB5V电源直接对51最小系统供电，结构简单，易于编程。

经比较，我们选择方案二，用5V电压转换后给控制器、传感器及液晶显示等模块使用。

1.3系统设计

根据上述方案论证，我们最终确定了以AT80C51单片机作为中央处理器，采用型号为28BYJ48的步进电机控制平板的角度，用芬兰生产的高精度数字输出精密倾角传感器SCA100T来测量平板的水平倾角。

1.4结构框图

根据上面的分析论证，我们设计的系统的总体结构框图如图1所示。

图1总体结构框图

2.理论分析与计算

   根据题目说明，只要平板上的硬币不滑落即可认为平衡，本设计通过倾角传感器检测平板的水平倾角，所以只要水平倾角保持在0度附近的某个角度范内，可认为平板达到平衡状态。

图2系统结构框图

系统结构框图如图2所示，该系统的工作原理是：

摆杆开始自由摆动后，通过倾角传感器不断的测量平板的倾角（即实际倾角），该实际倾角与给定倾角作比较，形成倾角偏差，通过步进电机控制平板的角度，不断修正该倾角偏差，最终使倾角保持在给定范围之内。

此时物体便达到平衡状态。

建模思路：

根据牛顿定律，物体在平板上受到自身重力，平板对它的支持力，以及摩擦力。

考虑到平板表面光滑，静摩擦系数很小，物体自身重力有限，为使物体在平板上能保持平衡，这三个力的合力必须保持平衡。

受力分析如图3。

图3受力分析

控制方法：

随着自由摆的摆动倾角传感器在不停地采样数据，通过多次采样数据取平均值的方法，使所测的数据更加精确，通过倾角转换公式将所采样的数据转换成角度。

将其反馈给单片机，再通过单片机控制步进电机转动相应的角度，使平板上物体保持平衡。

由于自由摆的周期相对较短，电机反应时间相对较长，会对物体的平衡造成影响所以需要进行提前判断，通过倾角传感器连续两次取样，计算得到平板运动趋势用来完成预判。

3.电路与程序设计

3.1硬件及单元电路|

倾角传感器理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。

如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。

所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。

当传感器静止时（没有水平或垂直方向的加速度时），重力加速度方向和传感器灵敏轴的夹角就是倾角。

为了进行传感器自检和内部校正，分别将传感器的MISO、MOSI、SCK、CSB与单片机的P1.1、P1.2、P1.3、P1.4相连。

MISO用于传输传感器内部模数转换器转换的数字数据，MOSI与单片机的P1.2引脚相连，用于向传感器发送命令和进行传感器内部自校正，使用软件编程通过P1.3向SCK提供串口通讯脉冲。

倾角传感器电路如图4所示；

 图4倾角传感器模块电路图

本模块中使用的四相步进电机在八排工作方式时，走动5.625°角度需64步；一圈分为64个刻度，因而走动一圈需64×64步，即4096步。

另外必须按照一定的次序给每个相通电，才能正常完成四步一个齿距的动作。

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（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

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。

步进电机与驱动器接口电路如图5所示：

图5步进电机与驱动器接口电路图

人机交互模块采用键盘进行控制，使单片机程序在按下某个对应键后控制步进电机的转动来完成题目多个要求中的一个，简化了操作的繁琐步骤，使在演示本系统时更加方便快捷。

采用工作电压低、功耗小的LCD液晶显示屏来显示当按键按下后所对应的程序。

液晶连接如图6。

图6液晶连接图

3.2软件设计与工作流程图

3.2.1软件设计

系统软件实现的功能如下：

1、读倾角传感器角度；2、给步进电机步进脉冲；

3、控制平板平衡；4液晶显示；5、键盘控制；6、数据汇总并作出判断。

3.2.２工作流程图

系统的主程序流程图如图7所示，进入主程序并初始化后，等待有键按下后执行相应程序，每个程序能完成一项基本要求。

各子模块是独立模块，结构清楚。

图7主程序流程

4.结果分析

4.1创新发挥

1）通过计算步进电机发送脉冲个数与角度传感器来确定转动角度，并用液晶显示屏来实时显示角度变化。

2）制作角度测量仪简单明了的显示摆杆所要放置的初始角度。

4.2测试方案与结果

4.2.1测试仪表

4位半数字万用表（MASTECHMY-65），双踪示波器（YB4325），秒表，电子称，计算器,直尺。

4.2.2基本要求一测试

　接通电源，按下S1键，先通过简单的目测大致判断出自由摆与平台的转动一周的周期是否相等。

对程序进行初步的调整然后使用秒表分别测出自由摆与平台转动一周的时间是否相等。

再次对程序进行仔细的调整，使得自由摆转动一周时平台也恰巧转动一周。

　　结果：

初步调整时，对电机的控制不精确使得转动误差较大，经过仔细调整平台与自由摆基本上同步，做到了误差较小，完成了要求一。

4.2.３基本要求二测试

　　接通电源，按下Ｓ２键，摇晃自由摆，并观察液晶屏查看倾角传感器读数是否正确，若正确则接上电机，用手推动摆杆至３０到４５度，调整平板角度，在平板稳定中心放置一枚１元硬币；启动后放开摆杆让其自由摆动。

在摆杆滑动过程中，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。

观察是否会滑离平板的中心位置。

　　结果：

步进电机反应太慢导致硬币滑落，经仔细研究摆动原理必更改程序终于使一枚硬币平稳的放在平台中央未见滑落。

完成了要求二。

4.2.３基本要求三测试

　　接通电源，按下Ｓ３键，先检测角度传感器是否正常，若正确则接上电机，用手推动摆杆至４５到６０度，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滑落，观察是否有硬币掉落以及是否保持叠放状态。

　　结果：

由于硬币增多导致平板负重增加，并且硬币间容易滑落导致失败。

经过长时间反复思考并修改程序终于能够基本实现要求三。

4.2.４平板平衡状态倾角范围的确定

　　在闭环控制系统中，如果给定角度恒定为0度，由于外界干扰，实际控制系统中很难实现，因此，在系统设计中，给定角度设为某一角度范围，当实际角度在该范围之内，即可认为平板平衡。

我们通过实验观察平板的平衡状态，来减小或扩大角度范围，得数据如表1所示。

根据表1实验数据，我们最终确定给定角度范围为-2.2度到+2.2度。

表1倾角范围的确定

角度设定范围

平衡效果

-3.5度到+3.5度

差

-2.7度到+2.7度

良

-2.2度到+2.2度

优

-1.8度到+1.8度

良

-1.0度到+1.0度

差

4.2.3平板转动固定角度的确定。

当步进电机需转动固定的角度，我们通过公式计算了步进电机应走的步数，但实际采用时结果并不令人满意，主要是因为平板上的载重（要放置硬币）导致转动困难，测试时硬币会掉落。

　　结果：

因此我们通过多次实验测试与查找资料，得出二相步进电机的步距角为5.625，通过八拍工作方式运转一周的程序，最后根据比例关系算出平板的　转动固定角度。

5.结语

经过紧张的四天三夜的奋力拼搏，与小组其他成员的通力协作，团结互助，终于完成了实验项目。

通过测试，本系统达到了设计的三个基本要求，在本次设计的过程中，我们遇到了许多突发事件和各种困难。

尤其是如何在摆动过程中如何保持平板的平衡一度陷入困境。

但通过团队的仔细分析和自我调整状态后我们终于解决了所有问题，取得了圆满的结果。

经过此次电子大赛让我们对电路的设计、调试有了深刻的印象，加深了对测控技术的理解，同时也深刻的体会到了共同协作和团队精神的重要性，提高了我们解决问题的能力，设计中还有欠缺的方面，今后的学习工作中会加以注意。

同时感谢竞赛的主办方让我们得到了很好的锻炼，由于时间紧迫我们未能完成发挥部分的题目但我们将利用课余时间继续深入研究找出完成发挥部分的题目要求的方案。

参考文献

[1]曹建树.51单片机实用教程北京：

中国石化出版社，2010.8

[2]童诗白.模拟电子技术基础第三版.北京：

高等教育出版社，2001.1

[3]孙肖子.实用电子电路手册（模拟分册）.北京：

高等教育出版社，1992

[4]谭浩强.C语言程序设计（第二版）.北京：

清华大学出版社，2000

[5]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程.北京：

电子工业出版社，2005

附录

附图151单片机最小系统

附图2角度传感器sca100t

附图3步进电机原理图

附图４　　液晶显示电路图