全国大学生电子设计竞赛B题设计报告Word文档格式.docx
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2.2.1基本部分第一项的控制方法2
2.2.2基本部分第二项的控制方法2
2.2.3基本部分第三项的控制方法3
2.2.4发挥部分第一项的数学模型3
2.2.5发挥部分第二项的控制方法4
3电路与程序设计5
3.1电路设计5
3.1.1电源模块5
3.1.2控制核心模块5
3.1.3传感器检测模块5
3.1.4执行器模块6
3.1.5键盘显示模块6
3.2程序结构与设计7
4测试方案与测试结果8
4.1测试方案8
4.2测试结果及分析8
4.2.1基本要求第一项测试数据8
4.2.2发挥部分第二项测试数据及分析8
4.3基于自由摆的平板控制系统完成情况9
附录1电路原理图I
附录2源程序II
参考文献III
1系统方案
1.1方案比较与选择
1.1.1控制电机的选择
控制电机可选步进电机或直流电机两者之一。
由于步进电机可直接使用数字信号驱动,使用方便;
不需要速度反馈装置,简化了系统软硬件设计;
非超载情况下,电机转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,不受负载变化的影响;
无累积误差。
所以,在结合题目要求,综合考虑系统制作成本及难易程度等因素的基础上。
选用广州坪川机电设备有限公司的两相混合式步进电机:
56BYG250D。
步进电机的驱动器选择和利时公司的两相步进电机驱动器:
SH-20403。
1.1.2控制核心
系统控制核心根据输入控制信号和采集数据,协调系统各模块有序工作。
可选取MCU、DSP、CPLD/FPGA等作为控制器。
考虑到系统成本和功能要求,选取ATmega16L单片机作为控制器。
ATmega16L是一款高性能、低功耗、具有16KB系统内可编程Flash的8位微控制器,完全可以满足本系统性能需求。
1.2系统结构
按照功能划分,系统主要包括电源、控制核心、传感器检测、执行机构和按键显示等模块。
基于自由摆的平板控制系统总体框图,如图1所示。
图1基于自由摆的平板控制系统总体框图
2理论分析与计算
2.1平板状态测量方法
使用双轴倾角传感器:
TITL-03-I2C-90测量平板与水平面的夹角,从而获知平板状态。
TITL-03-I2C-90的测量范围是+/-90°
,以I2C方式与单片机进行通信。
使用简单,输出稳定。
为获得准确的测量值,安装时将平板与倾角传感器保持平行,使用强力胶将两者粘合固定。
倾角传感器安装图,如图2所示。
图2倾角传感器安装图
倾角传感器与单片机进行I2C通信需要三根线,即SDA(数据总线)、SCL(时钟总线)、GND(两者共用的地线)。
倾角传感器与单片机的硬件连接图,如图3所示。
图3倾角传感器与单片机的硬件连接图
2.2建模与控制方法
2.2.1基本部分第一项的控制方法
步进电机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比,在时间上与输入脉冲同步,因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序,便可获得所需转角、转速及转动方向。
单片机根据摆杆倾角传感器和增量式编码器采集的角度,在程序中利用软计时方法,测得单摆的摆动周期,多次测量求平均值,再依据获得的平均时间,在单片机程序中计算脉冲数及脉冲频率,输出相应控制信号给步进电机驱动器,从而达到控制要求。
2.2.2基本部分第二项的控制方法
单摆振动时在竖直平面内做变速圆周运动,重力和拉力的合力产生两种效果:
使平板做圆周运动,速度大小发生变化。
从匀速圆周运动知识知道,向心力只改变物体运动的速度方向,因而单摆做变速圆周运动的回复力就是合力在切线方向的分力,这个分力也是重力沿切线方向的分力。
平板受力分析图,如图4所示。
图4平板受力分析图
由以上分析可知,在摆杆摆动过程中,只要始终控制步进电机使平板与摆杆垂直,即可维持硬币不滑落平板。
推动摆杆至θ角初始位置时,使平板保持水平,放置好硬币后,在松开摆杆同时,按下步进电机启动按钮,在极短时间内控制平板转动至与摆杆垂直状态。
2.2.3基本部分第三项的控制方法
基于相同于基本部分第二项的物理分析。
在初始位置水平摆置平板,放置8枚硬币,丢开摆杆时,使步进电机瞬间控制电机带动平板转动至与摆杆垂直;
在摆杆摆动期间,控制步进电机使平板始终与摆杆保持垂直,即可满足要求。
但实际试验中,在丢开摆杆同时按下步进电机启动按钮后,由于人为操作的不同步和控制信号传递的延时,并未如理论分析解决题目要求。
经过多次试验再分析,提出新的控制方法。
为解决人为操作的不同步问题,加入了机械装置—舵机,单片机输出信号控制舵机的启停,进而使步进电机的启动与摆杆开始摆动时刻实现同步。
为解决信号传递的延时问题,在程序中设置控制时序,使步进电机的启动时刻先于舵机的启动时刻。
2.2.4发挥部分第一项的数学模型
为便于分析,将题目示意图3抽象为平面几何图形,如图5所示。
图5平面几何图形
根据以上图形,结合几何知识分析,可得
(1)
(2)
由于,ATmaga16L不具有反三角函数计算功能,因此利用MATLAB进行曲线拟合。
拟合后,得到的公式为:
(3)
以上公式中的α、β、θ变量均以rad为单位。
拟合前后的关系曲线比较图,如图6所示。
图6拟合前后的关系曲线比较图
图中,横轴代表自变量θ从-π/4至π/4的取值,纵轴代表因变量β相应于θ的取值;
蓝色曲线为拟合前根据公式
(1)得到的θ与β的关系曲线,红色曲线为拟合后根据公式
(2)得到的θ与β的关系曲线.由图示可看出,曲线拟合效果很好。
用手推动摆杆至角度θ(30º
~60º
),启动后,系统只要在15秒钟内控制步进电机转动α角度即可满足题目要求。
2.2.5发挥部分第二项的控制方法
3电路与程序设计
3.1电路设计
此部分根据系统结构,分别介绍。
3.1.1电源模块
需要为系统提供两种供电电源。
一种是24VDC,为步进电机驱动器提供工作电压;
另一种是5VDC,供单片机、传感器等电子器件使用,同时,为步进电机驱动器提供弱电信号电压。
由于,测试现场只提供24VDC电源,因此,需自行设计制作24VDC~5VDC电压转换电路。
电源模块电路原理图,如图7所示。
图7电源模块电路原理图
3.1.2控制核心模块
该模块是以ATmega16L单片机为中心,由外接晶体振荡电路、复位电路组成的单片机最小系统。
控制核心模块电路原理图,如图8所示。
图8控制核心模块电路原理图
3.1.3传感器检测模块
使用两个倾角传感器分别检测平板与水平面的夹角、摆杆与其垂直静态时的夹角(2.2.3节的θ)。
由于数学模型是以θ为因变量建立的函数关系,为减小θ的测量误差对计算结果的影响,又使用增量式编码器检测θ角。
设计为增量式编码器的转轴与摆杆转轴同轴。
增量式编码器与单片机的电路原理图,如图9所示。
图9增量式编码器与单片机的电路原理图
3.1.4执行器模块
选用步进电机作为系统的执行器,控制平板转动。
单片机不能直接驱动步进电机,所以,使用单片机输出信号控制驱动器,再由驱动器控制步进电机按照要求正转、反转、变速和启停。
为方便调试电路,单片机控制信号与步进电机驱动器通过接插件进行连接,接插件的端子示意图,如图10所示。
图10接插件端子示意图
3.1.5键盘显示模块
为方便系统调试,使更显人性化,在满足题目要求基础上,设计了人机交互界面。
单片机接收键盘控制信号后,按照预设流程完成相应任务。
LED显示分为平板角度显示和摆杆角度显示。
LED显示电路原理图,如图11所示。
图11LED显示电路原理图
使用12864液晶显示模块显示系统提示信息及相关数据。
液晶显示电路原理图,如图12所示。
图12液晶显示电路原理图
3.2程序结构与设计
基于自由摆的平板控制系统程序流程图,如图12所示。
采用c语言编写,程序在ICCAVR集成环境中完成编辑、编译、调试,再通过USB下载器下载至单片机。
图13基于自由摆的平板控制系统程序流程图
4测试方案与测试结果
4.1测试方案
根据设计要求中对于基本部分和发挥部分的平板角度偏差值、硬币滑离平板中心位置、硬币叠放状态和滑落硬币个数、光斑偏离中心线的距离等要求,使用普通示波器、信号发生器、四位半数字万用表、毫秒级计时秒表和三角板等工具,结合系统人机界面反复测试各要求参数,并据此修改程序中个参数的设置,使误差达到最小。
4.2测试结果及分析
4.2.1基本要求第一项测试数据
采用单片机软计时方法测得的单摆周期,如表1所示(只取其中的十组列出)。
测试数据为调整步进电机的角位移与转速(单片机输出脉冲的个数和频率),提供了事实依据。
表1单摆周期表
θ(°
)
T(ms)
60
1830
58
1860
56
1750
50
1760
46
1740
45
1780
40
1700
37
1710
35
34
4.2.2发挥部分第二项测试数据及分析
根据拟合公式(3)计算出β值,再计算应输出给步进电机驱动器的脉冲数(α/步进电机的歩矩角),使得单片机输出即可。
但试验测得光斑还是偏离中心线。
表2列出了部分数据。
表2
θ(rad)
β(rad)
光斑偏离中心线距离(cm)
30
0.523599
0.136578
0.5
33
0.575959
0.169954
0.8
36
0.628319
0.207651
0.7
39
0.680678
0.249869
0.9
42
0.733038
0.296806
1.1
0.785398
0.348661
1.4
48
0.837758
0.405633
51
0.890118
0.467921
1.6
54
0.942478
0.535723
57
0.994838
0.609238
1.9
1.047198
0.688666
2.3
由表2可以看出,随着θ(摆杆与其垂直状态时的夹角)的增大,光斑偏离中心线越远。
经过程序分析,在单片机程序中计算的步进电机脉冲数为浮点数类型,而实际输出脉冲个数只能是整数个,计算脉冲数四舍五入后的值,是实际输出脉冲数。
即θ越大,需要计算的电机转动步数误差越大。
为解决此问题,当θ增大时,在计算的脉冲数基础上,人为地适当增加脉冲个数,从而有效地减小了偏离中心线的距离。
4.3基于自由摆的平板控制系统完成情况
基于自由摆的平板控制系统完成情况,如表2所示。
表2基于自由摆的平板控制系统完成情况
要求项目
是否
完成
备注
基本要求
(1)控制电机使平板可以随着摆杆的摆动而旋转(3~5周),摆杆摆一个周期,平板旋转一周(360º
),偏差绝对值不大于45°
。
偏差小于要求
(2)在平板上粘贴一张画有一组间距为1cm平行线的打印纸。
用手推动摆杆至一个角度θ(θ在30º
~45º
间),调整平板角度,在平板中心稳定放置一枚1元硬币(人民币);
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5个摆动周期中不从平板上滑落,并尽量少滑离平板的中心位置。
实现
(3)用手推动摆杆至一个角度θ(θ在45º
间),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上滑落,并保持叠放状态。
发挥部分
(1)在平板上固定一激光笔,光斑照射在距摆杆150cm距离处垂直放置的靶子上。
摆杆垂直静止且平板处于水平时,调节靶子高度,使光斑照射在靶纸的某一条线上,标识此线为中心线。
间),启动后,系统应在15秒钟内控制平板尽量使激光笔照射在中心线上(偏差绝对值<1cm),完成时以LED指示。
根据光斑偏离中心线的距离计算成绩,超时则视为失败。
测试偏差绝对值小于1cm
(2)在上述过程完成后,调整平板,使激光笔照射到中心线上(可人工协助)。
启动后放开让摆杆自由摆动;
摆动过程中尽量使激光笔光斑始终瞄准照射在靶纸的中心线上。
激光笔的光斑直径不大于5mm
(3)其他。
角度显示
任务结束声音指示
附录1电路原理图
附录2源程序
参考文献
[1]陆广平,张美琪,沈加庆.基于AVR单片机的步进电机运动控制系统设计[J].微电机,2010:
92-94.
[2]黄勇,廖宇,高林.基于单片机的步进电机运动控制系统设计[J].电子测量技术,2008,31(5):
150-154.
[3]rapoo.步进电机运动控制系统设计[EB/OL].(2009-09-18)
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