基于自由摆的平板控制系统郑博文.docx
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基于自由摆的平板控制系统郑博文
基于自由摆的平板控制系统
摘要
本设计主要是研究自由摆的平板控制系统,以STC12C5412AD单片机为主控芯片,结合当代自动控制技术、传感器技术、伺服机控制技术,单片机采集数据并利用PID算法对电机控制,考虑到本系统的定位要求高、稳定性好,在此伺服机选取步进电机;控制简易,准确是本系统的亮点,选用三位的拨码开关,配置工作模式。
为了提高本系统稳定度,倾角传感器角度数据处理运用均值法软件滤波后对数据进行读取。
关键字
STC12C5412倾角传感器步进电机PID控制算法
一、系统方案比较与选择
1.1方案一
本方案采用TI公司的MSP130F149单片机为控制核心。
角度传感器MMA7455进行数据采集。
用SGS公司的ULN2003芯片驱动步进电机,由于ULN2003芯片只能驱动小型步进电机且MMA7455数据变化太大,不能满足系统要求。
1.2方案二
本方案以高性能单片机C80C51F20为核心处理器,用WDSD4B-5K角度与电压线性关系,通过AD来采样转换所需的数字量,以L297和L298来驱动步进电机,但是L298跟L297不能精确控制系统的平板的运动。
1.3方案三
考虑到系统稳定性、控制精度和速度要求,选择1T模式STC12C5412单片机作为核心处理器,用高精度SCA61T倾角角度传感器的采集角度的数据,步进电机驱动采用东芝公司生产的TBH6016,它的细分功能能够精确控制电机转动角度,对本系统进行控制实现简单与精确。
上面的三个方案都可以实现,由于综合考虑成本和方案的可行性,本系统采用方案三。
二、方案论证与设计
2.1微控制器的选择
本系统需要进行大量的信号处理运算,另在控制过程要进行数据的运算,与控制伺服电机采取相应要快。
实现快速的精确的控制,需较高的运算速度的MCU,选用宏晶科技单片机STC12C5412AD作为控制器,由STC12C5412AD单片机,完成数据采集,电机控制,定时计数,信息显示等功能。
这样合理地分配了单片机的资源,具有很强的实时性和较高的准确性。
电路设计和制作比较简单,成本也低。
2.2步进电机驱动电路
步进电机的驱动采用东芝公司的TBH6016,它的芯片集成度很高,外围电路极简单,可靠性高,能够对步进能进行细分,提高控制精度。
本系统对控制精确度要求高,此芯片采用能够对步进进行16、8、4、2细分,选取步进电机的是每一个步进角度为0.9度。
采用16细分后0.05625,可满足本系统精度与控制速度的要求。
2.3数据的采集
本系统需要实时跟踪自由摆偏转角度,控制步进电机的偏转,本系统采用芬兰VTI公司的高分辨、低噪声、稳定性好、抗冲击能力强的单轴倾角传感器芯片SCA61T,SCA61T为SPI协议的数字输出,MCU可直接处理数据。
应用电路简单,编程简便,具控制精度与线性度满足系统的要求。
2.4电源的选择与设计
本系统需要5V、3.3V和12V的三种电压供电,故选用自己设计的开关电源组中的8V供电,经由LM7805及AMS1117稳压后输出5V和3.3V电压,分别给单片机和激光笔供电,实现了控制电路和电动机电源隔离,避免了单电源供电时,电机起停产生的大电流对单片机和其他模块的影响,以及电机在突停与突起对单片机引进来的干扰。
2.5 机械系统的选择
本系统是在做类似于单摆的往复运动时,空气阻力与材质的是否笔直,对其影响较大,会增大系统误差,选用铝合金做为机械系统的摆架框架部分,从而能够较好的保持在一个平面内,不会去现前后晃动的现象,为更好保持稳定,减少系统本身可能导致的误差。
3、理论分析与计算
3.1数学建模
摆杆夹角为
(
在
),要求启动后系统应在15秒钟内控制平板尽量使激光笔照射在中心线上(偏离绝对值
)。
在
时,示意图如图3.1所示。
图3.1自由摆平板系统
在三角形ABC中,AB的长度为
,BC长度为
,根据三角形边和对应的夹角的正弦定理,有
得出:
(1)
由此我们得出步进电机需要转的角度与单摆角度关系。
3.2控制方法
PID在工业控制的一种常用的方法,按比例,微分,积分的函数关系,进行运算用以输出控制,优点是控制精度高,且算法简单明了.节约单片机的资源和运算时间,当被控制对象快要接近目标值时采用此算法减少失步与越步,从而达到精确控制。
四硬件电路与软件程序设计
4.1电路设计
本系统电路结构框图如下图4.1所示。
图4.1系统框图
4.2软件设计
系统主程序流程图如图4.2所示。
摆杆摆动时,角度值不断的变化,倾角传感器把数据变化反馈到单片机上,对步进电机进行实时控制,使平板上的重物保持平衡。
图4.2系统主程序流程图
图4.3静态打靶流程图图4.4动态打靶流程图
四、测试结果及结果分析
4.1测试条件与仪器
测试条件:
基本部分中加了松手检测,拉到一定角度后,只要测试前罢杆不抖动,一放手,系统就开始工作,发挥部分中先人工调节激光对准目标就可以了。
测试仪器:
数字万用表,秒表,量角器,卷尺。
4.2测试结果
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)。
表1:
平板旋转角度与摆杆摆动周期
次数
摆动周期数
摆杆初始角度(度)
平板初始角度(度)
平板结束角度(度)
偏差(度)
1
1
45
0
3
3
2
2
45
0
2
2
3
3
45
0
4
4
注:
以电机轴到杆轴的方向为零度线,逆时针方向为正角度,顺时针方向为负角度。
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(30º~45º),调整平板角度,在平板中心稳定放置一枚1元硬币;启动后放开摆杆让其自由摆动。
表2:
板上放置一枚硬币摆动情况
次数
摆杆启动角度(度)
是否摆动5个周期
(硬币不掉)
滑离中心距离(CM)
1
30
是
0.1
2
37
是
0.0
3
45
是
0.4
3.用手推动摆杆至一个角度(45º~60º),调整平板角度,在平板中心稳定叠放8枚1元硬币,见启动后放开摆杆让其自由摆动
表3:
板上放置八枚硬币摆动情况
次数
摆杆启动角度(度)
5个周期后板上留下的硬币数
保持叠放状态的硬笔数
1
45
8
8
2
50
8
7
3
60
8
8
4.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。
用手推动摆杆至一个角度(30º~60º)。
表4:
激光笔固定打靶准确情况
次数
摆杆角度(度)
调整时间(秒)(或是否超过15秒)
距中心线的偏差(CM)
1
30
否
-0.5
2
45
否
+1.0
3
60
否
-1.0
5.在测试4的基础上,放开让摆杆自由摆动。
表5:
激光移动打靶准确情况
次数
摆杆启动角度(度)
靶上光斑距中心线的最大偏差(cm)
1
30
+16
2
45
+9
3
60
+7
4.2结果分析
通过测试结果分析,系统总体性能已达到基本设计要求,发挥部分的第一项功能也能很好的实现,只是在第二项还没达到精度的求。
能够控制电机使平板可以随着摆杆的摆动而旋转,使平板上的重物能够保持平衡。
随着重物数量的增加,精度的要求越来越高,反应的速度与控制的灵敏性要求也越高,而在角度与转动的速度这个过程中它的变化曲线是非线性关系,而且整个系统是开环系统,没有反馈环节,所有在调节精度过程中有点难度,很难确定它们之间的确定关系,虽然在软硬件上作了抗干扰处理,由于时间有限,精度还有待进一步提高。
五、总结
本系统设计在硬件与软件方面的基本能够实现设计任务的要求,本系统可从正负角方向释放自由摆来实现上面要求,超出了本题目的设计要求。
由于机械部分做得并不完善,随环境振动而发生一定角度的偏移,再加上移动单摆过程中人手的抖动也会出现部分误判断,所以稳定性不是很高。
但是本系统满足设计要求。
在本次竞赛中,我们组员发挥各自优点,组员之间分工明确,经过辛勤的努力,从而使我们完成了作品,将电子知识充分应用到设计中,特别是单片机的应用,提高了理论联系实际的能力,更提高了电子设计的综合能力,此次大赛,是大学生活一个美好经历,曾经努力过了,就不后悔了。
附录:
电路图
主控电路图
步进电机驱动路图
主要代码:
SCR16T驱动代码
voidDELAY_SCA61T_540ns(unsignedintx)
{
while(x--);
}
voidStart_SCA61T_MeasurMode()
{
unsignedcharcmd=0x00;
unsignedchari;
SLK_CLR;
CSB_CLR;
for(i=0;i<8;i++)
{
if(cmd&0x80)
{
MOSI_SET;
}
else
{
MOSI_CLR;
}
SLK_SET;
DELAY_SCA61T_540ns(DELAY_SCA61T);
SLK_CLR;
DELAY_SCA61T_540ns(DELAY_SCA61T);
cmd<<=1;
}
CSB_SET;
DELAY_SCA61T_540ns(DELAY_SCA61T);
}
unsignedintRead_SCA61T()
{
unsignedcharcmd=0x10;
unsignedintdat=0;
unsignedchari;
SLK_CLR;
CSB_CLR;
for(i=0;i<8;i++)
{
if(cmd&0x80)
{
MOSI_SET;
}
else
{
MOSI_CLR;
}
SLK_SET;
DELAY_SCA61T_540ns(DELAY_SCA61T);
SLK_CLR;
DELAY_SCA61T_540ns(DELAY_SCA61T);
cmd<<=1;
}
for(i=0;i<11;i++)
{
SLK_SET;
DELAY_SCA61T_540ns(10);
dat<<=1;
if(MISO)
{
dat|=0x01;
}
SLK_CLR;
DELAY_SCA61T_540ns(DELAY_SCA61T);
}
CSB_SET;
DELAY_SCA61T_540ns(DELAY_SCA61T);
returndat;
}
floatAngle_Change()
{
inttemp;
floatangle;
temp=Read_SCA61T();
temp-=1024;//数字量补偿值,标称值为1024
angle=temp/819.0;//设备灵敏度值,我们所使用的型号为:
819
angle=asin(angle);
angle=angle*180/PI;
angle-=ERROR;
returnangle;
}
功能驱动
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
voidmain()
{
unsignedinti=400,j=800;
bitdir=0;
inta=0,b=0;
LCD12864_Init();
Init7455();
M1=0;
M2=0;
DIR=1;
delay(60000);
Printf(0x80,"单摆平板控制系统");
//a=Read_Angle();
a=ReadAddByte_IIC(0x06);
while
(1)
{
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