基于自由摆的平板控制系统.docx
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基于自由摆的平板控制系统
基于自由摆的平板控制系统
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基于自由摆的平板控制系统(B题)
摘要
本系统采用STC12C5A60S2单片机作为核心处理芯片,用STC12C5A60S2对电机进行对平板正转,反转的控制。
平板旋转的角度由角度传感器ADXL345完成。
角度量通过IIC总线接口获得,然后再通过分析和判断,再对电机进行控制转动,使的平板保持平衡,从而使硬币不掉落平板。
此外,还用到显示频NOKIA5510显示倾斜角度,和语音模块ISD1420。
Abstract
Thesystemusesstc12c5a60s2monolithicintegratedcircuits,withacentraltreatmentofelectricalstc12c5a60s2theflatistoreversethecontrolofaflatspin.theanglefromtheanglesensoradxl345.theangleoftheinterfacebyIIC,andthenbyanalysisandassessment,themotorcontrolofaflat,tobalanceacoinfall,thereby,notflat.inaddition,itisalsousedtoshowbusinesses,andshowsleannokia5510voicemoduleisd1420.
关键词:
单片机摆动平板角度传感器
第一章系统设计及方案论证与比较
1.1系统总体方案设计
根据题目给定的条件,我们设计的方案总体上由单片机系统模块,电机控制模块,语音模块和传感器模块四部分组成。
单片机系统由复位电路和电源电路组成。
传感器模块由角度传感器组成,它将测量到的角度发送给单片机系统分析,从而使单片机系统控制电机转动。
系统框图如图B-1。
图B-1系统框图
1.2方案的设计与论证
1.2.1控制模块的选择
方案一:
使用89C51单片机
该单片机有5个中断口,1个串口,2个定时器,缺点是反应速度比较慢。
方案二:
使用STC12C5A60S2单片机
该单片机由9个中断口,有2个串口,具有独立波特率发生器,内部扩展RAM,速度是传统单片机的12倍。
分析两个方案,本系统采用第二种方案。
1.2.2电机的选择
方案一:
使用直流电机
直流电机具有良好的线性调速特性,简单的控制性能,较高的效率,优异的动态特性。
但是直流电机位置控制难度大,难以达到较高的控制精度。
方案二:
使用步进电机
步进电机是纯粹的数字控制电动机,它将电脉冲信号转换成相应的角位移(或线位移)。
步进电机的动态响应快,易于起停,正反转及变速。
在非超载的情况下,它的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响。
这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累计误差等特点,使得它可以达到很高的控制精度,且控制难度要比直流电机小得多。
分析两个方案的优缺点,本系统采用第二种方案。
1.2.3电机驱动的选择
方案一:
采用步进电机专用的驱动器
此方案能为步进电机提供稳定的工作电压和工作电流。
但是其价格十分昂贵,重量较大,而对于本系统电机不需要带大负载,也对驱动器没有过高的要求。
方案二:
采用ULN2003A电机驱动芯片
ULN2003A可方便驱动步进电机,且外围电路简单、原件少、重量轻,造价便宜且方便。
但是它只能驱动四相步进电机。
如果用于驱动直流电机的话只能按一个方向转动,换向要改变电机的接法。
方案三:
采用专用集成电路芯片L298
用集成电路芯片L298驱动电机,它电子开关的速度快,稳定性强,且它的外围器件成本低,使整机可靠性提高。
适合驱动二相或四相的步进电机。
该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入,配合PWM技术,具有良好的抗干扰性能。
分析三个方案,我们选用第三方案。
第二章理论分析及计算
2.1平板状态测量方法
该平板状态测量要求较高的分辨率,所以我们使用的是双轴倾斜测量。
测量方法如图B-2。
图B-2
双轴倾斜测量的首要优势来是两轴的垂直关系。
随着某个轴的增量灵敏度的降低,另一轴的增量灵敏度会增加。
如图B-3。
图B-3
双轴倾斜测量第二优势是对重心面对齐度的依赖性降低,因为有效增量灵敏度与目标轴重力的和平方根值具有比例关系。
双轴倾斜测量第三优势是全角度360°检测,如图B-4。
图B-4
2.2建模与控制方法
摆杆上和平板上一共两个角度传感器,将摆杆上的角度传感器测出摆杆的角度设为x,平板上的角度传感器测出的平板角度设为y。
如图B-5。
再由几何图形的角度运算得出以下关系:
当摆杆在中心右侧时为
当摆杆在中心左侧时为
第三章电路与程序设计
3.1硬件电路设计
3.1.1主控电路设计
主控电路设计如图B-6所示,系统中采用一片STC12C5A60S2作为主控制芯片。
图B-6主控电路
3.1.2步进电机驱动电路设计
步进电机驱动电路设计与实现,如图B-7所示。
图B-7步进电机驱动电路
3.1.3角度传感器电路设计
角度传感器电路设计与实现,如图B-8所示。
图B-8角度传感器电路
3.2软件程序设计流程
软件流程图如图B-9显示。
图B-9软件流程图
第四章测试结果及分析
测试仪器有:
直尺,量角器和秒表。
4.1测试步骤
1)我们用秒表计算摆杆摆动周期。
2)用量角器量出摆杆的起始摆动角度,并记录实验数据。
3)用直尺测量激光笔照射靶子上的光斑离靶子上中心线的距离,并记录下来。
4.2测试结果
根据题目要求,我们做了一下测试,并记录一些实验结果。
如表B-1。
实验项目
实验次数1
实验次数2
实验次数3
摆杆摆动一周期,平板转动一周
平板转动误差
10°
0°
0°
在平板上放上一枚硬币,摆动时滑落平板中心的距离
滑落平板中心距离
当摆杆为30°
当摆杆为35°
当摆杆为45°
2cm
4cm
5cm
摆杆摆定角度,在平板上放8枚硬币,摆动时滑落硬币数
硬币掉落数
当摆杆为45°
当摆杆为55°
当摆杆为60°
3
0
6
4
5
0
摆杆摆定角度,在一定时间内,激光笔的光斑照到靶子上离中心线的距离
靶子上光斑离中心线的距离
当摆杆为30°
当摆杆为45°
当摆杆为60°
0cm
2cm
1cm
表B-1
4.3结果分析
经过本次试验结果,我们发现影响系统性能的因素除电路设计外,主要还有还有以下几点:
1)角度传感器的安装位置,对其检测效果的影响很大。
2)控制算法,PID参数直接决定系统是否稳定,影响系统的控制精度。
结束语
经过这些天的比赛,我们在硬件上与软件上实现了题目的各项要求。
在硬件上我们应用到传感器的调制技术,用PWM技术的使用则解决了电动机驱动的效率问题。
还添加了语音和显示屏,使硬件更加生动。
在软件上,我们灵活使用单片机STC12C5A60S2,使它完成了步进电机的驱动和传感器的使用。
很好的完成题目的各项要求。
附件一完整的电路原理图
电机驱动电路
单
片
机
最
小
系
统
角度传感器
语音模块
显示模块
附件二测试结果
1、摆杆摆动一周期,平板转动一周,记录平板转动误差。
次数
平板实际转动角度
误差
1
360°
10°
2
360°
0
3
360°
0
2、在平板上放上一枚硬币,摆动时滑落平板中心的距离。
次数
摆杆摆定的起始角度
滑落平板中心距离
1
30°
2cm
2
35°
4cm
3
40°
4cm
4
45°
5cm
3、摆杆摆定角度,在平板上放8枚硬币,摆动时滑落硬币数。
次数
摆杆摆定的起始角度
掉落的硬币数
1
45°
3
2
45°
0
3
45°
0
4
55°
6
5
55°
4
6
55°
0
7
60°
5
8
60°
5
9
60°
0
4、摆杆摆定角度,在一定时间内,激光笔的光斑照到靶子上离中心线的距离。
次数
摆杆摆定的角度
光斑偏离中心线的距离
1
30°
0cm
2
35°
1cm
3
40°
0cm
4
45°
2cm
5
50°
1cm
6
55°
1cm
7
60°
1cm
附录三重要的源程序
voidmain(void)
{
unsignedcharcoin_flag=0;
unsignedcharLCD_contrast=0xbe;//此值对比度合适
unsignedcharread_angle_flag=0;
key1=1;
key2=1;
key3=1;
key4=1;
P4SW=0x70;/*0bx111xxxx,将P4.4、P4.5、P4.6设置为I/O脚*/
P4M1=0x00;/*0b00000000,设置P4.4、P4.5、P4.6为准双向口*/
P4M0=0x00;/*0b00000000*/
Init_ADXL345();//初始化ADXL345
LCD5510_Init();
LCD_clr_scr();//清屏
delayms(200);
LCD_showsh(0,0,"倾角");
LCD_prints8x16(4,0,":
");
start_sys();//启动系统。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
语音
while
(1)//循环
{
if(key1==0)//修正到水平
{
correct_angle(88);
key1=1;
}
else
{
if(key2==0)//转360°
{
key2=1;
while(ir_key1==1);//先拉杆红外为高时,等待
turn_360();//3周
turn_360();
turn_360();
}
if(key3==0)//硬币30
{
unsignedchari;
key3=1;
while(ir_key1==1);//先拉起红外为高时,等待
for(i=0;i<6;i++)//先拉杆置红外对管,再开启开关,高变低
{
fan_zhou();
}
}
if(key4==0)//硬币60
{
unsignedchari;
key4=1;
while(ir_key2==1);//先拉起红外为高时,等待
for(i=0;i<7;i++)//先拉杆置红外对管,再开启开关高变低
{
fan_zhou();
}
}
if(key5==0||k4==1)//静态激光
{
key5=1;
k4=1;
ET0=1;
if(key5==0)
{
read_angle_flag=1;
read_angle();//读取角度。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
语音
ledok=1;
}
static_light();
LCD_printn8x16(5,0,turn_y,3);
if(flag==1&&key4==0)
{
correct_light();//校准激光。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
语音
switch(turn_y)
{
case30:
zhengzhuanquan(49);ledok=0;light_complete();break;
case35:
zhengzhuanquan(57);ledok=0;light_complete();break;
case40:
zhengzhuanquan(68);ledok=0;light_complete();break;
case45:
zhengzhuanquan(82);ledok=0;light_complete();break;
case50:
zhengzhuanquan(96);ledok=0;light_complete();break;
case55:
zhengzhuanquan(108);ledok=0;light_complete();break;
case60:
zhengzhuanquan(119);ledok=0;light_complete();break;
}
}
if(flag==2&&key4==0)//zuo
{
switch(turn_y)
{
case30:
fanzhuanquan(52);ledok=0;light_complete();break;
case35:
fanzhuanquan(53);ledok=0;light_complete();break;
case40:
fanzhuanquan(64);ledok=0;light_complete();break;
case45:
fanzhuanquan(74);ledok=0;light_complete();break;
case50:
fanzhuanquan(86);ledok=0;light_complete();break;
case55:
fanzhuanquan(98);ledok=0;light_complete();break;
case60:
fanzhuanquan(109);ledok=0;light_complete();break;
}
}
if(key5==0||k5==1)//动态激光须放静态内部
{
k5=1;
correct();//动态激光
}
}
}
}
}
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