B甲03846小组全国电赛 自由摆论文.docx
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B甲03846小组全国电赛自由摆论文
编号：
B甲03846
基于自由摆的平板
控制系统（B题）
参赛队员：
王东祥周万军段敬博
专业：
光信息科学与技术
学校：
哈尔滨工业大学（威海）
指导老师：
基于自由摆的平板控制系统
关键词：
自由摆平板控制加速度传感器
IIC总线AT89S52步进电机L298驱动芯片MMA7445
目录
1方案论证与比较3
1.0电源模块3
1.1电机模块3
1.2检测模块3
1.3通讯模块4
1.4系统结构4
2理论分析和计算6
2.1平板测量方法6
2.2从机检测电路设计11
2.3程序设计12
3.电路和程序设计14
3.1电路图14
3.2程序14
4测试方案和结果22
5结论和总结23
参考资料23
1方案论证与比较
1.0电源模块
方案一：
使用蓄电池，
方案二：
使用220v转5V电源适配器.
我们选择的是22V转5V电源适配器.
1.1电机模块
方案一：
使用步进电机
方案二：
使用舵机.
比较以上两种方案，考虑到舵机不能转360度，所以我们选择步进电机，同时我们采用L298进行电机驱动,驱动加些外围电路.
1.2检测模块
方案一：
采用角速度传感器，能够很好的给出角度的数字信号.
方案二：
采用加速度传感器MMA7445，5V直流电压供电，内部能给出各个方向的加速度，加速度的形式是数模数据，但给出的是补码形式.
比较上述两种方案，显然角速度传感器的输出能很直接的给出角速度，能使得程序更加简单。
由于我们买到角速度传感器，而有加速度传感器，再加上我们对加速度传感器之前就有了解，在达到利用好自己身边的元器件的同时，也能达到同样的效果。
1.3通讯模块
方案一：
单片机采取SPI接口方式读取数值，检测其运动和方向.
方案二：
单片机采取IIC接口方式读取数值，IIC是一种二线制串行总线接口，工作在主/从模式。
二线通信信号分别为开漏SCL和SDA串行时钟和串行数据。
主器件为时钟源。
数据传输是双向的，其方向取决于读/写位的状态。
每个从器件拥有一个唯一的7或10位地址。
主器件通过一个起始位发起一次传输，通过一个停止位终止一次传输。
起始位之后为唯一的从器件地址，再后为读/写位。
I2C允许多个主器件工作在同一总线上。
多个主器件可以轻松同步其时钟，因此所有主器件均采用同一时钟进行传输。
多个主器件可以通过数据仲裁检测哪一个主器件正在使用总线，从而避免数据破坏。
由于I2C总线只有两条导线，因此新从器件只需接入总线即可，而无需附加逻辑。
比较上述两种方案，我们选择是IIC总线接口的方式读取数据.
1.4系统结构
在单摆架子的上面，利用AT89S52单片机作为控制器，将加速度传感器的所获得数据通过IIC总线的传输方式，并将此数据传输到L298驱动器上，L298将信息转化为角度，进而对电机的运动的运动方式进行控制.
最终方案为：
1.电源模块：
采用220V转5V电源适配器。
2.驱动模块：
采用28byj-48减速型步进电机和L298模块驱动电机..
3.
检测模块：
采用MMA7455加速度传感器模块
4.通讯模块：
采用的是IIC总线的读取方式。
2理论分析和计算
2.1平板测量方法
第一个要求：
我们对摆杆拉到60o时的周期进行测量，再由摆杆的周期再进行理论计算电机需要怎么转.
将加速度传感器安装在摆杆上，加速度传感器给出的X,Y,Z的加速度的数据的补码形式，通过程序的换算，我们将且用AX,AY,AZ作为通过程序处理后各个方向的加速度，再进行计算.
首先我们将摆杆拉到600，手动将平板调整到和摆杆垂直，此时通过叫传感器给出的加速度，算出角度θ
sinθ=Ａｘ/ｇ
（其中g为重力加速度.）
g=9.78049（1+0.0052884（Sinα）^2-0.0000059*（Sin2α）^2）-0.00000286h
α为纬度.
电机的偏转角
△θ=θ1-θ2
得出的角度就是电机所需要转的角度.
同时通过AY，由于AY在最下方的时候达到一个极值，所以只需要测试AY的增减情况来判断电机是否需要反转.
这样就达到了测量平板的位置以及它所需要转的角度.最终实现平板和水平面平行.
3.电路和程序设计
3.1电路图
3.2程序
步进电机绕圈程序
/**********************************************************
名称：
步进电机
编写：
shifang
日期：
2009.5
修改:
2011/9/1
内容：
4相步进电机常规驱动单方向运转
**********************************************************/
#include
sbitA1=P1^0;//定义步进电机连接端口
sbitB1=P1^1;
sbitC1=P1^2;
sbitD1=P1^3;
#defineCoil_A1{A1=1;B1=0;C1=0;D1=0;}//A相通电，其他相断电
#defineCoil_B1{A1=0;B1=1;C1=0;D1=0;}//B相通电，其他相断电
#defineCoil_C1{A1=0;B1=0;C1=1;D1=0;}//C相通电，其他相断电
#defineCoil_D1{A1=0;B1=0;C1=0;D1=1;}//D相通电，其他相断电
#defineCoil_AB1{A1=1;B1=1;C1=0;D1=0;}//AB相通电，其他相断电
#defineCoil_BC1{A1=0;B1=1;C1=1;D1=0;}//BC相通电，其他相断电
#defineCoil_CD1{A1=0;B1=0;C1=1;D1=1;}//CD相通电，其他相断电
#defineCoil_DA1{A1=1;B1=0;C1=0;D1=1;}//D相通电，其他相断电
#defineCoil_OFF{A1=0;B1=0;C1=0;D1=0;}//全部断电
unsignedintSpeed;
/*------------------------------------------------
uS延时函数，含有输入参数unsignedintt，无返回值
unsignedint是定义无符号字符变量，其值的范围是
0~65535这里使用晶振12M，精确延时请使用汇编,大致延时
长度如下T=tx2+5uS
------------------------------------------------*/
voidDelayUs2x（intt）
{
while（--t）;
}
/*------------------------------------------------
mS延时函数，含有输入参数unsignedchart，无返回值
unsignedchar是定义无符号字符变量，其值的范围是
0~255这里使用晶振12M，精确延时请使用汇编
------------------------------------------------*/
voidDelayMs（intt）
{
while（t--）
{
//大致延时2mS
DelayUs2x（190）;
}
}
/*------------------------------------------------
主函数
------------------------------------------------*/
voidmain（）
{
unsignedinti=512;//旋转一周时间
Speed=1;
while
（1）//正向
{
Coil_A1//遇到Coil_A1用{A1=1;B1=0;C1=0;D1=0;}代替
DelayMs（Speed）;//改变这个参数可以调整电机转速,
//数字越小力矩越小
Coil_AB1
DelayMs（Speed）;
Coil_B1
DelayMs（Speed）;
Coil_BC1
DelayMs（Speed）;
Coil_C1
DelayMs（Speed）;
Coil_CD1
DelayMs（Speed）;
Coil_D1
DelayMs（Speed）;
Coil_DA1
DelayMs（Speed）;
}
自由摆保持平衡程序
/*******************************************************************/
名称：
自由摆保持平衡程序
编写：
duan
日期：
2011/9/2
内容：
三轴加速度传感器传感，使用步进电机保持平板平衡
/********************************************************************/
#include
#include//要用到_nop_（）;函数
#include
sbitA1=P1^0;//定义步进电机连接端口
sbitB1=P1^1;
sbitC1=P1^2;
sbitD1=P1^3;
#defineCoil_A1{A1=1;B1=0;C1=0;D1=0;}//A相通电，其他相断电
#defineCoil_B1{A1=0;B1=1;C1=0;D1=0;}//B相通电，其他相断电
#defineCoil_C1{A1=0;B1=0;C1=1;D1=0;}//C相通电，其他相断电
#defineCoil_D1{A1=0;B1=0;C1=0;D1=1;}//D相通电，其他相断电
#defineCoil_AB1{A1=1;B1=1;C1=0;D1=0;}//AB相通电，其他相断电
#defineCoil_BC1{A1=0;B1=1;C1=1;D1=0;}//BC相通电，其他相断电
#defineCoil_CD1{A1=0;B1=0;C1=1;D1=1;}//CD相通电，其他相断电
#defineCoil_DA1{A1=1;B1=0;C1=0;D1=1;}//D相通电，其他相断电
#defineCoil_OFF{A1=0;B1=0;C1=0;D1=0;}//全部断电
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#defineIIC_READ0x1D//定义读指令
#defineIIC_WRITE0x1D//定义写指令
sbitsda=P1^6;//I2C数据传送位
sbitscl=P1^7;
ucharack_sign;
unsignedintSpeed;
/******************************************************************/
/*各延时程序*/
/******************************************************************/
voidiic_delay（）//5us延时
{
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
}
voiddelay_50us（uintt）
{
ucharj;
for（;t>0;t--）
for（j=19;j>0;j--）;
}
voiddelay_50ms（uchart）
{
uintj;
for（;t>0;t--）
for（j=6245;j>0;j--）;
}
/*------------------------------------------------
uS延时函数，含有输入参数unsignedintt，无返回值
unsignedint是定义无符号字符变量，其值的范围是
0~65535这里使用晶振12M，精确延时请使用汇编,大致延时
长度如下T=tx2+5uS
------------------------------------------------*/
voidDelayUs2x（intt）
{
while（--t）;
}
/*------------------------------------------------
mS延时函数，含有输入参数unsignedchart，无返回值
unsignedchar是定义无符号字符变量，其值的范围是
0~255这里使用晶振12M，精确延时请使用汇编
------------------------------------------------*/
voidDelayMs（intt）
{
while（t--）
{
//大致延时2mS
DelayUs2x（190）;
}
}
/********************************************************************/
/*I2C通信部分*/
/*******************************************************************/
voidiic_start（）//函数功能：
I2C通信开始
{
sda=1;
iic_delay（）;
scl=1;
iic_delay（）;
sda=0;
iic_delay（）;
}
voidiic_stop（）//函数功能：
I2C通信停止
{
sda=0;
iic_delay（）;
scl=1;
iic_delay（）;
sda=1;
iic_delay（）;
}
voidiic_ack（）//函数功能：
I2C通信查应答位
{
sda=1;
scl=1;
iic_delay（）;
ack_sign=sda;
scl=0;
}
voidiic_write_byte（ucharwdata）//函数功能：
向I2C从机写入一个字节
{
uchari,temp,temp1;
temp1=wdata;
for（i=0;i<8;i++）
{
scl=0;
iic_delay（）;
temp=temp1;
temp=temp&0x80;
if（temp==0x80）
sda=1;
else
sda=0;
iic_delay（）;
scl=1;
iic_delay（）;
scl=0;
iic_delay（）;
temp1=temp1<<1;
}
}
chariic_read_byte（void）//函数功能：
从I2C从机中读出一个字节
{
ucharx;
chardata_data;
for（x=0;x<8;x++）
{
data_data=data_data<<1;
sda=1;
iic_delay（）;
scl=0;
iic_delay（）;
scl=1;
iic_delay（）;
if（sda==1）
data_data|=0x01;
//else
//data_data&=0xfe;
}
returndata_data;
}
voidiic_write（ucharbyte_add,ucharwdata）//函数功能：
按地址写入一字节数据
{
uchart;
t=（IIC_WRITE<<1）;
iic_start（）;
iic_write_byte（t）;
iic_ack（）;
iic_write_byte（byte_add）;
iic_ack（）;
iic_write_byte（wdata）;
iic_ack（）;
iic_stop（）;
}
chariic_read（ucharbyte_add）//函数功能：
按地址读出一字节数据
{
uchart;
charx;
t=（IIC_WRITE<<1）;
iic_start（）;
iic_write_byte（t）;
iic_ack（）;
iic_write_byte（byte_add）;
iic_ack（）;
t=（（IIC_READ<<1）|0x01）;
iic_start（）;
iic_write_byte（t）;
iic_ack（）;
x=iic_read_byte（）;
iic_ack（）;
iic_stop（）;
returnx;
}
/********************************************************************
辅助计算函数函数
********************************************************************/
doubleasinjs（charx）
{
doubleasjd,asjg;
doubles_result;
asjd=（double）x/9.7;
asjg=asin（asjd）;
s_result=asjg/（3.1415926/180）;
returns_result;
}
doublerun_time（doublea,doubleb）
{
doubletemp;
temp=（a-b）/5.625;
returntemp;
}
/*******************************************************************
主函数模块
********************************************************************/
voidmain（）
{
doublejiaodu1;
doublejiaodu2;
charx;
doubletemp;
doublen;
doublei;
temp=iic_read（0x06）;
while
（1）
{
if（temp==0）
{
}
else
{
x=iic_read（0x06）;
jiaodu1=asinjs（x）;
delay_50ms（50）;
x=iic_read（0x06）;
jiaodu2=asinjs（x）;
n=run_time（jiaodu1,jiaodu2）;
if（temp>0）
{
for（i=0;i{
Coil_A1//遇到Coil_A用{A1=1;B1=0;C1=0;D1=0;}代替
DelayMs（Speed）;//改变这个参数可以调整电机转速,
//数字越小力矩越小
Coil_AB1
DelayMs（Speed）;
Coil_B1
DelayMs（Speed）;
Coil_BC1
DelayMs（Speed）;
Coil_C1
DelayMs（Speed）;
Coil_CD1
DelayMs（Speed）;
Coil_D1
DelayMs（Speed）;
Coil_DA1
DelayMs（Speed）;
}
}
else
{
for（i=0;i{
Coil_DA1
DelayMs（Speed）;
Coil_D1//遇到Coil_A1用{A1=1;B1=0;C1=0;D1=0;}代替
DelayMs（Speed）;//改变这个参数可以调整电机转速,
//数字越小，转速越大,力矩越小
Coil_CD1
DelayMs（Speed）;
Coil_C1
DelayMs（Speed）;
Coil_BC1
DelayMs（Speed）;
Coil_B1
DelayMs（Speed）;
Coil_AB1
DelayMs（Speed）;
Coil_A1
DelayMs（Speed）;
}
}
}
temp=iic_read（0x06）;
}
}
4测试方案和结果
次数
1
2
3
4
5
摆杆的周期T/s
2’23’’
1’56’’
2’30’’
2’43’’
2’32’’
次数
6
7
8
9
10
摆杆的周期T/s
3’12’’
2’12’’
2’01’’
2’17’’
2’20’’
去掉最大值和最小值求平均值：
T均=2’25’’
通过计算，对程序进行修改，修改延时SPEED，对电机的转动的速度进行控制.
测试结果分析
项目
功能
实现情况
备注
基础部分
电机和单摆一同转动
良好
只需要两个的周期相差不大即可
放置一个硬币
的情况
不好
仍然需要调试
放置八个硬币
未完成
发挥部分
未完成
未完成
未完成
未完成
5结论和总结
在本次设计的过程中，我们遇到了各种困难和许多没有预想到情况。
由于我们自身水平有限和时间紧张等因素，本作品还有许多未完成的部分，做好的部分还需要很大的改进.经过此次电子设计竞赛，我们在电路的设计、调试方面得到了很好锻炼，能力也有了很大的提高，同时也深刻的体会到：
实践是理论运用的最好检验，懂得了共同协作和团队精神的重要性，提高了我们分析问题、解决问题的能力。
参考
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