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1、基于自由摆的平板控制系统报告 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】编 号 B甲 01204题 目 基于自由摆的平板控制系统（B题）学 校 山东交通学院系 部 信息工程系 专 业 电信 电信 自动化 学生姓名 廖连兵 刘柯 寇海华 指导教师 温巍 参赛时间 2011.8.312011.9.3 摘要 31.1 课题分析 51.2 本论文概述 5第二章 系统总体设计方案 52.1 自由摆控制系统的原理与组成 52.2系统模块器件的选定 52.2.1 控制器的论证与选择 52.2.2传感器器件的论证与选择 52.2.3执行元件的论证与选择 62.2.4 控制驱动的

2、论证与选择 62.2.5 人机交互的论证与方案 62.2.6模块器件清单 6第三章 测控系统的硬件设计 63.1框架系统的结构 63.2电源模块 63.3 角度传感器：MMA7260QT 73.4电机驱动：L298N 74.1流程图 74.2子程序流程图 8第五章 测试及结论 105.1定点测试 105.2动态性能测试 105.3改变负载 105.3.1 不放硬币时的测量方法 105.3.2 放硬币时的测量方法 105.4 带激光灯时的角度控制 105.5实验数据 115.5.1旋转实验测试 115.5.2放硬币实验测试 115.6发挥部分功能测试 12摆杆固定时的测试 12参考文献 13附件

3、1 原理图 13附件2 主要程序 14摘要 本系统是以C8051F040为控制芯片控制步进电机，从而调节木板平衡的闭环平板控制系统。该系统是主要由摆架框架、数据采集部分、主控板、驱动系统四大部分组成。系统的软硬件设计都采用了模块化的设计思想。硬件方面详细介绍了传感器电路、信号调试电路、电机驱动电路以及系统扩展所需的其它一些外围电路的设计，软件方面以硬件电路为基础分别进行了模块化设计。为使测控系统控制更精确 在数据采集的过程中采用了非线性误差校正以及数字滤波等数据处理方法。同时设计中考虑到可能存在的各种干扰因素,采用了软硬件结合的抗干扰技术提高平板控制系统的稳定性。 关键字：C8051F040

4、闭环 平板控制系统 模块化 ABSTRACT This system is based on C8051F040 for control chip control stepping motor, which regulates board balanced closed-loop control system. The system is mainly by the pendulum frame frame, the data acquisition part, main control board, driving system composed of four. The design of

5、 the software and hardware system using modular design thought. Hardware introduced in detail the sensor circuit, signal regulate circuit, motor drive circuit and system extension required some of the other peripheral circuit design of software, hardware circuit as the foundation, the modular design

6、. To make the measurement and control system control more accurate in the process of collecting data using nonlinear error correction and digital filtering method of data processing. At the same time to consider the design to the possible interference factors, using a combination of hardware and sof

7、tware anti-interference technology improve the stability of the Flat control system. Key word: C8051F040 closed-loop control system Flat control system modularization第一章 绪论 1.1 课题分析 基于自由摆的平板控制系统应用的原理是现代检测与控制技术。它是现代自动化控制系统应用的典型产物,是一个闭环的控制系统。1.2 本论文概述 该控制系统是一个动态自动平衡测试系统。本文完成以下几方面工作： 1） 确定系统构成。系统主要包括两部

8、分，一是被控部分，主要是系统物理组成形成形式，包括摆架构成、传感器与电机的安装；二是控制部分，主要是用于控制被控制对象的微处理器类型及其软件的控制规律。 2） 选择合适的处理器设计主控板，完成传感器、信号调试、电机驱动模块等建测控系统的硬件电路设计。 3） 根据实际硬件平台进行算法和软件编写，实现各个功能模块。 4） 对传感器进行标定，进行误差分析，提高测控系统的准确度。 5） 针对已做工作进行总结，并在此基础上进行改进。第二章 系统总体设计方案2.1 自由摆控制系统的原理与组成自由摆控制系统的原理与组成自由摆控制系统结构框图如图2-1所示，是由数据采集模块、控制驱动模块、伺服机构和自由摆本体

9、等几大部分构成的一个闭环系统。在系统中可通过倾角传感器的反馈获得自由摆末端被控对象的位移，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控制算法实现该控动状态。驱动电路步进电机C8051F040单片机控制器 人机互动加速度传感器A/D转换 图1.系统总的框图2.2系统模块器件的选定 本系统主要由数据采集模块、控制驱动模块、伺服机构和自由摆本体电源模块组成。下面分别论证这几个模块的选择。2.2.1 控制器的论证与选择方案选定：51 系列单片机的应用比较广泛，各种技术都比较成熟。所以我们选定C8051F040单片机。它

10、是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机，在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制的智能节点所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件，完全能够完成这次设计的要求我们。2.2.2传感器器件的论证与选择现有的角度传感器种类很多，如电介液式、电位器式、电容式、电感式及陀螺地平仪等复合式倾角传感器，考虑到是检测重物作用下的平板微动方向，要求传感器有较好的灵敏度及响应速度，同时要使传感器安装方便，选用角度传感器MMA7260QT，它根据物件运动和方向改变输出信号的电压值，直接将其放在用单片机的A/D转换器读取此输出信号，就可以检测其运动和方向。我们可以将它直接接在平板上就可以检测出平面的倾角。

11、2.2.3执行元件的论证与选择执行元件选择步进电机，使用步进电机的原因包括操作简单，由于可接受数字脉冲输入而变得易于与其他设备接口，优秀的起停和反转响应运行过程中精度没有累计误差等。本次设计采用的步进电机是四相励磁式步进电机42BYGH02。2.2.4 控制驱动的论证与选择控制驱动模块是平衡控制系统的核心是实现系统闭环的关键环节。它接收加速度传感器反馈的电压数据，进而根据给定的控制算法计算出控制量，输出后控制电机的转动，从而维持系统的平衡。同时控制驱动模块需监控电机运转情况，通过软件实现最佳位置控制及超速保护等。控制驱动模块包括数据处理芯片、内存、通信总线、电机驱动模块。 2.2.5 人机交互

12、的论证与方案 人机交互模块是使用键盘控制进行模式切换，经过讨论，我们选择现有的无线模块转换工作方式，原因：可以远距离调控，方便快捷的实现模式转换。 综上所述：基于自由摆的木板控制系统的设计方案是以C8051F040作为控制芯片，通过控制步进电机驱动电路，调节6cm10cm木板的稳定，为了使该系统稳定运行，我们把它设定为一个闭环控制系统，应角度传感器MMA7260QT检测木板所在位置的角度，从而把信息反馈给控制器进行调节，保证木板的水平。从而提高系统的稳定性。2.2.6模块器件清单 人机互换模块：SC2272; 控制模块：C8051F040单片机； 步进电机驱动模块：L298; 检测模块：角度传

13、感器MMA7260QT； 第三章 测控系统的硬件设计 本章节重点讲述整个检测与控制系统的硬件结构框架及细节设计。系统硬件采用模块化结构便于升级和维护。 3.1框架系统的结构 摆架系统的结构摆架系统包括摆架座、摆杆、轴承及弹性元件等 起支撑平板工作台的作用。选择的材料要保证摆架有足够的刚度同时为保证控制方便，有较高的灵敏度，要求摆杆重量适当。 3.2电源模块 为了提高系统的稳定性，我们选择220V经过7805的电压变换后给单片机系统和其他芯片供电。 图2 电源设计电路 3.3 角度传感器：MMA7260QTMMA7260QT低成本微型电容式加速度传感器,采用了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技

14、术，并且提供4个量程可选，用户可在4个灵敏度中的选择。该器件带有低通滤波并已做零g补偿。本产品还提供休眠模式，因而是电池充电的手持设备产品的理想之选。 鉴于以上特点，我们选用了MMA7260QT3.4电机驱动：L298N L298N是意法半导体公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。其引脚排列如图3-5所示，1脚和 15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。L298可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、

15、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。驱动芯片引脚电路图： 图3 逻辑电路 图4 管脚标注第四章 系统软件设计 4.1流程图 图5 程序总的设计框图4.2子程序流程图模块一流程图 图6 自由摆动设计流程图模块二流程图 图7 放硬币的自由摆程序模块三的流程图 图8 调节程序流程图第五章 测试及结论自由摆的示意图如图9所示： 摆杆竖直位置 摆杆起始位置90 平板 图95.1定点测试 定点测试主要是观察步进电机的反应快慢。用手推动摆杆摆起一个角度，利用倾角传感器提供的当前平板与水平位置的角度，处理器计算出恢复平衡位置所需的脉冲个数并发送给步进电机，

16、电机收到信号后带动平板向反向方向转动，到达平衡位置时停止转动。反复调整脉冲的频率，确定使步进电机能迅速反应且稳定工作的频率，使摆杆在稳定后的几秒内，平板处于水平状态。5.2动态性能测试 从零度开始，在两秒钟内缓慢平稳地将摆杆推至三十度出，在此工程中平板保持水平状态。将摆杆缓慢推至一定角度在(4560)处，待平板达到水平后释放，让摆杆做自由阻尼摆动直至静止，在摆动过程中使平板保持水平状态。测试表明，平台在跟踪速度要求范围响应迅速。5.3改变负载5.3.1 不放硬币时的测量方法 如图5-1所示，假设摆杆的初始角度为，则当平板由初始位置转到竖直位置时对应的步进电机转动90。在执行程序时，时刻对传感器

17、的输出电压做AD转换，进而转换成摆杆的角度，将两次测量的角度结果相减，从而求出步进电机应转动的角度。公式为=90*|12|，其中为步进电机应转动的角度， 1、2分别为两次测量的摆杆与水平面的夹角。5.3.2 放硬币时的测量方法 经测试，当平板与摆杆垂直时，摆杆摆动时硬币不会滑落。于是我们讨论后决定以下方案：放下摆杆后，在很短的时间内使摆杆与平板垂直，此后步进电机不再转动。如图5-1，步进电机转动步数公式为：step=/0.225。 综述结果：我们设计的基于自由摆的平板控制系统初步完成设计要求，系统稳定性有待提高。5.4 带激光灯时的角度控制 图10 图11 当摆杆向左倾斜时，如图10所示。步进

18、电机应转动的角度.当摆杆向右倾斜时，如图11所示。步进电机应转动的角度5.5实验数据基本部分功能包括：（1）实现了摆杆摆动一周，平板旋转一周的功能；（2）在摆角为30-45时，实现了一枚硬币在5个摆动周期内不从平板滑落的功能；（3）在摆角为45-60时，实现了八枚硬币在5个摆动周期内不从平板滑落的功能。5.5.1旋转实验测试 将摆杆人为拉至不同的角度，启动方式1后，松开摆杆，在摆杆摆动的同时，测量平板转动角度和摆杆摆动周期。结果如表1.摆杆角度摆动周期平板旋转圈数305455505605表1 旋转实验测试结果5.5.2放硬币实验测试 在平板上放置一些一元硬币，将摆杆拉至不同角度，启动方式2后，

19、松开摆杆，观察板上硬币的情况。如表2和表3所示。摆杆角度摆动周期硬币滑离原点距离3050355040504550 表2 一枚硬币时的测试结果摆杆角度摆动周期滑落硬币个数455505555605表3 八枚硬币时的测试结果5.6发挥部分功能测试摆杆固定时的测试 将激光笔固定在平板上。首先，将平板置与水平位置，激光照射在一点，标记该点。将摆杆人为拉开一个角度（3060）并固定。平板将自动转动，使激光笔重新照射到初始点。观察并记录两次光点间距离和所用时间。如表4.摆杆角度两点间距离时间30455060 表4参考文献【1】金以蕊主编，过程控制 北京：清华大学出版社，1999；【2】童长飞著 c8051f系列单片机开发与c语言编程【3】范超毅，范巍.步进电机的选型与计算.机床与液压，2008,36（5）；310-313【4】吴秀芹，高国伟，李倩芸等.倾角传感器自动标定系统的研究.传感器与微系统.2009,28（4）:20-23附件1 原理图附件2 主要程序