基于单片机的平衡臂控制系统设计毕业论文设计 精品.docx
《基于单片机的平衡臂控制系统设计毕业论文设计 精品.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的平衡臂控制系统设计毕业论文设计 精品.docx（48页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于单片机的平衡臂控制系统设计毕业论文设计精品
分类号：
TP301.6UDC：
D10621-408-（2012）2480–0
密级：
公开编号：
2008071069
基于单片机的平衡臂控制系统设计
论文作者姓名：
申请学位专业：
测控技术与仪器
申请学位类别：
工学学士
指导教师姓名（职称）：
论文提交日期：
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
基于单片机的平衡臂控制系统设计
摘要
当在平衡臂的一端放置重物时，平衡臂必然会向挂有重物的一端倾斜。
为使得平衡臂重新达到平衡状态，就要在平衡臂的另一端相应位置施以力度，即杠杆原理，本设计正是用了该原理来达到平衡臂的平衡。
该设计中选用的单片机是12C5A60S2，单片机内含8路高速10位A/D转换，另外电机的驱动芯片选择的是ULN2003。
电机的端子嵌在螺旋传动机构中，点击转动时螺杆会跟着旋转，若固定电机，螺杆转动时螺母就会相应的前后移动，当螺母与重物产生的力矩相同时，平衡臂即可达到平衡。
本文详细阐述了单片机和芯片ULN2003的内部结构，系统硬件电路和软件程序的设计及调试过程，同时给出了原理图、流程图等。
涵盖了从需求分析，系统设计，编程，原理图，PCB图以及最后的试验板焊制等产品开发的基本过程。
本设计对无人操作吊塔式起重机具有一定研究意义。
关键词：
平衡臂；单片机；电机；螺旋传动
DesignonControlSystemoftheBalanceArmBasedonMicrocontroller
Abstract
Whentheweightsplacedinoneendofthebalancearm,thebalancearmisboundtohangheavyobjectsontheoneendofthetilt.Makesthebalancearmtoreachequilibrium,itisnecessarytoimposetheintensityattheotherendofthecorrespondinglocationofthebalancearm.Andthisdesignisbasedonthisprinciple.Thedesignusestheprincipletoachievethebalanceofthebalancearm.
Inthisdesign,12C5A60S2microcontrollerandtheULN2003chipdrivemotorrotation.Motorscriptsendembeddedinthethread,screwrotatesthemotorrotation,Ifthefixedmotor,threadedrotarynutwillmove.NuthasacertainweightWhenthenuttomovetoacertaindistance,thebalancearmwillbebalance.Thispaperdescribestheinternalstructureofthesingle-chipandchipULN2003,andhardwarecircuitandsoftwaredesignanddebuggingprocess,anditgivestheschematics,flowcharts,etc.Itcoversfromrequirementsanalysis,systemdesign,programming,schematicdiagramPCBdiagramandthebasicprocessofproductdevelopmentintheexperimentalplateweldingsystem.Thisdesignhasacertainsignificancecranetowercraneunattendedoperation.
KeyWords:
balancearm;microcontrollerunit;electricmotor;screwdrive
论文总页数：
34页
1引言
1.1选题背景及意义
随着社会的不断进步，人们对生活条件的不断优化，人们对衣食住行的要求越来越高，高楼大厦不断平地而起。
而其中在建筑高楼大厦过程中塔式起重机有着不菲的贡献，可以说塔式起重机的生产和发展是人们提高效率节约经济的有效途径，塔式起重机越来越被人们熟知。
塔式起重机的金属结构不断被人们所了解，其中包括起重臂、前臂拉杆、塔帽、后壁拉杆、平衡臂、旋转塔身、上下转台、顶升套架、塔身、底架、基础等。
当前的塔式起重机多由人直接操作，过程中难免会发生一些不可抗因素，这存在这许多的安全隐患，若起重机能自动操作，根据重物的重量自行搬运，不但节省了人力，也避免了许多不可抗因素，确保了安全性[7]。
在日常的工作、学习、生活以及工农业的生产实践中，单片机的使用越来越广泛，贯穿始终，单片机的电路简单，容易调试，若是把单片机与吊塔结合起来对塔式起重机的发展有很大的作用，到时后工地上的吊塔都是自动运行，一方面提高了工作效率另一方面也降低了事故发生率虽然现在还不好找到适合大型塔式起重机的单片机，但假以时日，该研究方向肯定会对塔式起重机的发展有巨大的推动作用[1]。
1.2国内外同类研究概述
在生活中最常见的平衡臂的运用是作为运送物体的塔吊，塔吊是承受臂架拉绳及平衡臂拉绳传来的上部荷载，并通过回转塔架转台、承座等的结构部件式直接通过转台传递给塔身结构。
自升塔顶有截锥柱式、前倾或后倾截锥柱式、人字架式及斜撑架式。
凡是上回转塔机均需设平衡重，其功能是支承平衡重，用以构成设计上所要求的作用方面与起重力矩方向相反的平衡力矩。
除平衡重外，还常在其尾部装设起升机构。
起升机构之所以同平衡重一起安放在平衡臂尾端，一则可发挥部分配重作用，二则增大绳卷筒与塔尖导轮间的距离，以利钢丝绳的排绕并避免发生乱绳现象。
平衡重的用量与平衡臂的长度成反比关系，而平衡臂长度与起重臂长度之间又存在一定比例关系。
平衡重的量相当可观，轻型塔机一般至少要3-4t，重型的要近30t。
我国的塔机行业于20世纪50年代开始起步，塔机在中国发展的比较快速，相对于中西欧国家由于建筑业疲软造成的塔机业的不景气，我国的塔机业正处于一个迅速的发展时期。
1.3本文研究内容
本文研究的是基于单片机的平衡臂控制系统，主要是对塔吊平衡进行模拟，通过单片机的方式实现其平衡。
根据此课题主要着手研究以下内容：
掌握平衡系统的基本构架，熟悉相关的硬件和软件知识，再结合实际需要设计出控制平衡臂达到平衡的硬件框架结构和软件设计流程。
其中硬件主要包括：
平衡臂、单片机、步进电机、螺杆、螺帽、变压器。
软件包括：
主程序、步进电机驱动模块、平衡判断模块。
按照本设计思路及方法即可制成一个具有自动实现平衡臂平衡的实际电路成品。
2总体方案设计
2.1方案比较论证
2.1.1方案一
本设计要求平衡臂自动达到平衡，实现平衡臂的平衡可通过多种方式实现。
根据设计要求，可以将舵机安放至平衡臂中心位置，通过舵机控制臂杆左右偏向从而实现平衡臂的两端平衡[9]。
2.1.2方案二
通过小车来控制平衡臂平衡，在平衡臂上端放置小车，最初时小车放在平衡臂正中央，平衡臂失去平衡时，为达到平衡，小车向着向上翘起的一段移动，小车靠电动马达驱动，马达与角度传感器相连，当角度传感器检测出平衡臂与水平面平衡时马达停止转动[10]。
2.1.3方案三
方案三采用的是杠杆原理，通过步进电机的转动带动螺旋传动机构，若固定步进电机，则螺杆在转动时在水平方向上就不会移动，螺杆一端镶嵌有螺母，螺杆转动时，螺母就会移动，当两边力矩相同时，平衡臂即可达到平衡[5]。
2.1.4方案对比
方案一运用舵机，由于舵机控制臂杆左右的偏向是非线性控制，程序实现相对较为复杂，且舵机能够承受的力矩较小，其在平衡臂的应用的并不合适，故方案一不能采用。
案二需要平衡臂较宽，而且马达的动力必须比较高，平衡臂与小车轮胎之间的摩擦力也不可忽视，因为当平衡臂偏移过大小车很有可能无法向反方向运动而掉落，故方案二亦布恩那个采用。
在方案三中即使平衡臂偏移非常大，电机在旋转时仍然可以改变螺母的位置从而使平衡臂重新达到平衡，而且方案三电路整体设计简洁，软件编写也更为简单，制成硬件电路后更易于调试，所以最终采用方案三。
2.2系统框图
图1系统设计框图
2.3设计原理
设计当中把电机固定在平衡臂上的中央，把电机的端子嵌入进一个很长的螺杆中，因为电机被固定，螺杆又与端子相连，故电机在转动时螺杆只会转动而不会与平衡臂有仍和的相对位移，那么此时套在螺杆上的螺母就会因为螺杆的转动而或前或后的移动，螺母的移动改变了平衡臂的力矩，为使平衡臂平衡电机必须调整螺母的位置来使得平衡臂达到平衡，电机在杆倾斜时应该转动，平衡时应该停止是整个设计中至关重要的问题。
本次设计选用过的12C5A60S2芯片内含8路10位A/D转换，AD值变换范围是0～1024，通过实验室的开发板测得：
平衡臂在平衡时相应的AD值为890左右，由于AD值有波动范围，故设置当AD值在888～892范围内时，平衡臂达到平衡，电机停止转动。
当平衡角度对应的AD值不在888～892这一范围时电机相应的正转或反转直到平衡臂达到平衡为止。
由于每一个AD值都对应P1.0口上不同的电压，为了达到对应的电压值，设计当中巧妙的运用了一个划动电阻器来解决电压的分压。
平衡臂的中端有一个轴承，该轴承与划动电阻器相连，当平衡臂左右摇摆时，电阻器上的滑片也相应的改变位置。
设定单片机的P1.0口为A/D转换口，P1.0与滑片相连，P1.0与滑动电阻器共地，所以P1.0口对应的电压就是滑动变阻器分得的电压[3]。
2.4设计要求
本设计要完成以下功能：
（1）当单片机插上电源后，位于PCB板上的LED亮，成功表示上电。
（2）当平衡臂挂有重物时，电机能自动旋转调整螺母位置使之平衡。
（3）35BYJ46电机额定转速是可控的，为了提高效率要求转速应在1r/s左右。
（4）在设计中平衡臂角度对应的AD值本来就设定在888-892之间，所以电机停止转动时有可能不会完全与水平面达到平衡，在误差允许范围内，平衡臂与水平面的角度<=5度。
（5）无论重物放置在平衡臂的什么地方都能通过电机的旋转使平衡臂重新达到平衡。
3硬件选型
3.1单片机选型
3.1.112C5A60S2简介
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S，即25万次/秒），针对电机控制，强干扰场合。
STC12C5A60S2系列单片机的程序存储器和数据存储器是各自独立编址的。
STC12C5A60S2系列单片机的所有程序存储器都是片上Flash存储器，不能访问外部程序存储器，因为没有外部访问使能信号—EA和程序存储启用信号—PSEN。
STC12C5A60S2系列单片机内部有1280字节的数据存储器，其在物理和逻辑上都分为两个地址空间:
内部RAM（256字节）和内部扩展RAM（1024字节）。
另外，STC12C5A60S2系列单片机还可以访问在片外扩展的64KB外部数据存储器。
内部RAM共256字节，可分为3个部分：
低128字节RAM与传统8051兼容高128字节RAM（Intel在8052中扩展了高128字节RAM）及特殊功能寄存器区。
低128字节的数据存储器既可直接寻址也可间接寻址。
高128字节RAM与特殊功能寄存器区貌似共用相同的地址范围，都使用80H-FFH，地址空间虽然貌似重叠，但物理上是独立的，使用时通过不同的寻址方式加以区分。
高128字节RAM只能间接寻址，特殊功能寄存器区只可直接寻址，其部分特点：
（1）增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051。
（2）工作电压：
STC12C5A60S2系列工作电压：
5.5V～3.5V（5V单片机）。
（3）工作频率范围：
0～35MHz，相当于普通8051的0～420MHz。
（4）片上集成1280字节RAM。
（5）有EPROM功能。
（6）通用I/O口（36/40/44个），复位后为：
准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。
（7）内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）。
（8）共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可再实现2个16位。
（9）外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器（温漂为±5%到±10%以内）用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟常温下内部R/C振荡器频率为：
5.0V单片机为：
11MHz～17MHz；3.3V单片机为：
8MHz～12MHz。
（10）3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟，独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟。
（11）外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块，PowerDown模式可由外部中断唤醒，
，
，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3（也可通过寄存器设置到P4.2），CCP1/P1.4（也可通过寄存器设置到P4.3）。
（12）PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列，2路）；也可用来当2路D/A使用；也可用来再实现2个定时器；也可用来再实现2个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持）。
（13）A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S（每秒钟25万次）。
（14）通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口[12]。
3.1.212C5A60S2单片机内部结构
STC12C5A60S2系列单片机的内部结构框图如下图2所示。
STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器（CPU）、程序存储器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。
STC12C5A60S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统[12]。
图212C560S2内部结构图
3.1.312C5A60S2单片机封装尺寸图
单片机12C5A60S2拥有不同形式的封装，本设计选用的是PDIP-40型封装[10]，如下图3。
图3-112C5A60S2PDIP-40封装
图3-212C5A60S2尺寸图
3.1.4单片机管脚介绍
表1单片机管脚介绍
管脚
管脚编号
说明
P0.0～P0.7
39～32
P0:
P0口既可作为输入/输出口，也可作为地址/数据复用总线使用。
当P0口作为输入/输出口时，P0是一个8位准双向口，内部有弱上拉电阻，无需外接上拉电阻。
当P0作为地址/数据复用总线使用时，是低8位地址[A0~A7]，数据线的[D0~D7]。
P1.0/ADC0/CLKOUT2
1
P1.0
标准I/O口PORT1[0]
ADC0
ADC输入通道-0
CLKOUT2
独立波特率发生器的时钟输出可通过设置WAKE_CLKO[2]位/BRTCLKO将该管脚配置为CLKOUT2
P2.0-P2.7
21-28
Port2:
P2口内部有上拉电阻，既可作为输入/输出口，也可作为高8位地址总线使用（A8~A15）。
当P2口作为输入/输出口时，P2是一个8位准双向口
P3.0/RxD
10
P3.0
标准I/O口PORT3[0]
RxD
串口1数据接收端
P3.1/TxD
11
P3.1
标准I/O口PORT3[1]
TxD
串口1数据发送端
XTAL1
19
内部时钟电路反相放大器输入端，接外部晶振的
一个引脚。
当直接使用外部时钟源时，此引脚是
外部时钟源的输入端
XTAL2
18
内部时钟电路反相放大器的输出端，接外部晶振
的另一端。
当直接使用外部时钟源时，此引脚可
浮空，此时XTAL2实际将XTAL1输入的时钟进行输
出。
VCC
40
电源正极
Gnd
20
电源负极，接地
3.2步进电机
很显然，本次设计中最为重要也是核心的原件非步进电机莫属，市场上的步进电机按力矩产生原理分类有永磁式、反应式、混合式步进电机；按定子数分类有单定子式、双定子式、多定子式步进电机；按定子励磁相数分类有三相、四相、五相、六相步进电机，本设计选的是四相五线步进电机[6]。
3.2.1四相五线步进电机
步进电机内部构造如下图
图4步进电机内部构造
通过上图可知，A，~A是联通的，B和~B是联通。
那么，A和~A是一组a，B和~B是一组b。
不管是两相四相，四相五线，四相六线步进电机。
内部构造都是如此。
至于究竟是四线，五线，还是六线。
就要看A和~A之间，B和B~之间有没有公共端com抽线。
如果a组和b组各自有一个com端，则该步进电机六线，如果a和b组的公共端连在一起，则是5线的。
本次设计用到的是四相五线步进电机，谷a和b的公共端是连在一起的。
由于五线中，a和b组的公共端是连接在一起的。
用万用表测，当发现有一根线和其他几根线的电阻是相当的，那么，这根线就是公共com端。
3.2.2驱动方法
驱动步进电机有好几种方法，个人觉得比较简单也比较常用的还是下面这两种，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，设计中选用的是四相八拍的电机，电机四相八拍的工作原理如下图。
图5步进电机内部结构
上图是表示刚刚步进电机的内部结构，没有画中线抽头。
中间那个表示电机转子，左边蓝色的表示A线圈，上面红色的表示B线圈，大家看到上面标志中还有一些是打括号的，表示什么呢？
就是说这个接线是一开始讲到的A’接线，跟刚刚讲到的那个C字母表示的接线其实是同一根线！
那现在我就用图来表示解释下什么是四相八拍，A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A表示的是什么。
A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A中出现的字母表示这根线对应加上高电平，其余的加低电平。
具体就是A处于高电平，其余处于低电平，延时一小段，AB处于高电平，其余处于低电平，依次类推[8]。
3.2.3具体选用步进电机
永磁式步进电机（PM），是由磁性转子铁芯通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而产生转动。
永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。
电机里有转子和定子两部分：
可以是定子是线圈，转子是永磁铁；也可以是定子是永磁铁，转子是线圈。
应用领域：
永磁式步进电机主要应用于计算机外部设备、摄影系统、光电组合装置、阀门控制、核反应堆、银行终端、数控机床、自动绕线机、电子钟表及医疗设备等领域中。
本次设计中选用的35BYJ46型永磁式步进电机（四相五线），该电机质量小，用5V电压就能驱动，一般的设计中运用该电机很合适。
其外观如下图。
图635BYJ46步进电机
3.2.435BYJ46步进电机工作参数
35BYJ46步进电机，永磁减速步进电机，微型减速步进电机，4相减速电机[7]。
（1）额定电压：
12VDC。
（2）相数：
4。
（3）减速比：
1/85.25。
（4）步距角：
7.5度/85.25度（定子控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍，每一拍转子转过的机械角度称之为步距角，通常用
表示）。
（5）驱动方式：
4相8拍。
（6）直流电阻：
130Ω±7%（25℃）。
（7）温升：
<40K（120Hz）。
（8）噪音：
<40dB（A）。
（9）重量：
约100g。
3.3电位器
鉴于制作经费有限，本次设计中并未采用角度传感器，而是采用了一个丁字型的滑动电位器来代替，滑动电阻器与一个轴承相连，平衡臂左右摇摆时位于中央的轴承带动电位器上的划片相应的移动从而实现了分压。
电位器阻值100K。
3.4驱动芯片ULN2003
ULN2000、ULN2800是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适应于各类要求高速大功率驱动的系统。
本次设计选用的是ULN2003。
3.4.1ULN2003芯片特点
（1）ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要
升级会员 