自适应平衡调整系统的研制毕业设计.docx

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自适应平衡调整系统的研制毕业设计

自适应平衡调整系统的研制

摘要：

系统由驱动部分和控制部分组成，驱动部分采用H桥驱动，控制部分由ARM单片机STM32、角度探测与采集电路、误差补偿电路、接收信号电路与发射信号电路组成。

整个系统由传感器部分作为主要控制部分，调整部分为受控部分，受传感器的控制，使放在平板上的硬币和激光笔保持平稳。

电路用陀螺仪进行角度的探测，用SPI和I2C总线通信，每个环节都配有必要的反馈、前馈和保护电路，角度探测电路就配有过压保护和过流保护，ARM单片机上面同样配有过压保护和限流保护，而且使用的是外部晶振，有足够的能力对系统里面的数据进行运算。

本系统成本低，通信模块稳定，控制部分功耗低廉，电源利用率高，满足设计要求。

关键词：

H桥驱动电路；STM32ARM单片机；陀螺仪；外部晶振；

TheResearchofAdaptiveBalancedSystem

Abstract:

Thesystemwasconsistedofthedrivingpartsandcontrolparts,withtheH-bridgedriverforcingthedrivingpart.Exactly,thecontrolsectionswerecomposedoftheARMmicrocontrollerSTM32,theangleofdetectionanddataacquisitioncircuit,errorcompensationcircuit,thecircuitofthereceivedsignalandtheemissionsignalcircuit.Thesensorpartswerethemainlycontrolledbytheoperationsectionsofthesystemtomanageotheradjustingparts.Handledbythesensor,thecoinsontheplate,andlaserpointerwereavailableofremainingstable.SPIandI2CbuscommunicationwasusedtotransmitthedatefromAngledetectioncircuitgyroscope,withdetectioncircuitsfortheovervoltageandovercurrentprotection.Similarly,ARMMCUwasalsocapableofover-voltageprotectionandcurrentlimitingprotection.Moreover,itwasequippedwithanexternalcrystal,whichhadsufficientcalibertooperatethesystem.Overall,thissystemwasobtainingthestabilityofthecommunicationmodule,economical,andefficiently,whichmettherequirements.

Keywords:

H-bridgedrivercircuit;STM32ARMmicrocontroller;gyroscope;externalcrystal;

1系统方案确定

1.1题目解析

根据命题要求，设计并制作一个基于自由摆的平板控制装置，实现对平板上放置物品所处的角度进行正确调整。

该装置由1个H桥驱动电路和基于STM32ARM单片机的控制电路组成。

控制电路用陀螺仪来进行角度的探测与采样。

主要性能指标有：

（1）制造1个硬币单摆机械结构如图1和1个激光笔单摆机械结构如图2所示，机械结构的精度要求上面的支撑轴与摆杆的垂直度误差不能超过0.5°，摆杆与电机轴的垂直误差也不能超过±0.5°。

（2）设计一个角度传感器，此角度传感器的误差也不能超过±0.5°，信号反馈延迟时间不能超过1ms。

（3）设计一个驱动电路，此驱动电路的效率要达到95%，驱动管不能发热。

（4）设计一个反馈电路，反馈当前角度反馈是否正确，并进行实时补偿，保证反馈信息正确率99%以上。

图1硬币摆动机械结构图

Figure1CoinsoscillatingmechanicalstructureofFigure

摆杆摆动时其角速度随公式变化，公式为：

α=arctan（y/z）

（1）

α：

变化角速度

y：

y轴角速度变化

z：

z轴角速度变化

图2激光笔对线机械结构图

Figure2Laserpointeronthelinemechanicalstructurediagram

1）主控系统选择

方案一：

使用传统51单片机作为主控制器，价格低廉，但其运算速度慢，片内资源少，存储容量小，难以实现复杂的算法。

方案二：

使用FPGA，CPLD等大规模可编程逻辑控制器件，其时钟频率很高，运算速度很快，但不适合于该题目。

方案三：

选用STM32ARM单片机作为主控制器，控制通信模式的选择，以及传感器的数据发送与接收

方案比较：

由于STM32ARM单片机性能强劲。

在相同的主频下能做处理更多的任务，全力支持劲爆的程序设计。

功耗低。

实时性好。

采用了很前卫甚至革命性的设计理念，使它能极速地响应中断，而且响应中断所需的周期数是确定的。

代码密度得到很大改善,一方面力挺大型应用程序，另一方面为低成本设计而省吃俭用。

STM32ARM单片机使用更方便。

现在从8位/16位处理器转到32位处理器之风刮得越来越猛，更简单的编程模型和更透彻的调试系统，为与时俱进的人们大大减负。

低成本的整体解决方案。

综合比较，选择方案三。

2）角度测量

方案一：

使用双轴倾角传感器SCA103T-D04，测量范围为±15度，可适用于垂直方向的各种角度的测量。

方案二：

使用电位器作为角度传感器，由于不同角度输出的电阻值不同，通过AD采样电阻两端电压，计算得到角度。

方案三：

传感器模块选用L3G4200D陀螺仪进行角度的探测与采集，通过单片机的不同模式对陀螺仪的数据进行接收、处理，然后发送给陀螺仪，使陀螺仪对角度进行进一步的矫正。

方案比较：

对于方案一，虽然SCA103T精度较高，但它是基于加速度原理进行测量，使用SCA103T进行倾角检测时，应保证被测设备匀速运动，否则会引进误差，而在自由摆系统中，平板不是匀速运动。

虽然可以采用峰值滤波和一阶惯性滤波相结合的方式通过软件编程进行处理，但较繁琐。

对于方案二，对于一般的电位器，线性度较差，而对于线性度较好的电位器，如22HP-10等。

对于方案三，L3G4200D陀螺仪是三轴共用一个感应结构，这一突破性概念可以消除轴与轴之间的信号干扰，避免输出信号受到干扰信号的影响。

L3G4200D陀螺仪量程范围从±250dps到±2000dps，低量程数值用于高精度慢速运动测量，而高量程则用于测量超快速的手势和运动。

这款器件提供一个16位数据输出，以及可配置的低通和高通滤波器等嵌入式数字功能。

就算时间推移或温度变化，这款器件仍然保持连续稳定的输出。

内置数字输出的L3G4200D3轴MEMS陀螺仪的设计和制造采用意法半导体销售量超过6亿支的运动传感器的制程技术。

综合考虑，选择方案三测量自由摆运动过程中的摆角。

3）电机选择

方案一：

使用伺服电机作为执行元件，运行精确，能高速制动，惯量小，适合闭环控制。

方案二：

使用步进电机作为执行元件，由于步进电机是采用脉冲驱动，精度较高，适合开环控制。

方案比较：

因步进电机达不到系统所要求的精度，失步会引起控制误差，而且其转速太慢，而伺服电机的高精度特点就很容易满足要求，所以最终选择了伺服电机。

综合考虑，选择方案一。

1.2系统总体设计方案

根据试题的要求，设计需要由三个部分组成：

一是单片机处理模块，二是角度传感器模块，三是驱动模块。

下面分别从这三个方面阐述方案的设计思想。

1.2.1单片机处理模块设计

单片机处理模块的CPU我们准备了3个方案，分别是51单片机、AVR单片机、ARM单片机，后来考虑到51单片机和AVR单片机不能满足此单摆系统对精度方面的要求，而且51单片机和AVR单片机程序内存flash也不够，不能完全存储单摆系统的所有程序，所以选择ARM单片机STM32。

图3单片机处理模块设计方框图

Figure3Single-chipprocessingmoduledesignblockdiagram

单片机处理模块设计方案如图3所示单片机模块，选用STM32ARM单片机作为主控制器，控制通信模式的选择，以及传感器的数据发送与接收。

使用L3G4200D陀螺仪作为角度传感器，经AD采样，读取当前自由摆的角度值。

使用红外收发管检测是否松开了摆杆，若检测到高电平，说明手已经松开，触发中断，此时的AD采样值即为起始摆角。

使用补偿电路，矫正陀螺仪在采集数据时的失真。

采用前馈控制系统，通过控制器控制步进电机的运动，使其运动达到要求。

同时，可以在LCD显示一些测量数据和功能列表，供用户选择，同时LED灯在一些功能中也会点亮。

1.2.2传感器模块设计

陀螺仪是利用各种原理制成的角运动检测装置，大多数陀螺仪利用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。

陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。

人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。

陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。

然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。

在现实生活中，陀螺仪发生的进给运动是在重力力矩的作用下发生的。

陀螺仪被广泛用于航空、航天和航海领域。

这是由于它的两个基本特性：

一为定轴性（inertiaorrigidity），另一是进动性（precession），这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。

定轴性

当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定的方向；同时反抗任何改变转子轴向的力量。

这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或稳定性。

其稳定性随以下的物理量而改变：

1）转子的转动惯量愈大，稳定性愈好；

2）转子角速度愈大，稳定性愈好。

所谓的“转动惯量”，是描述刚体在转动中的惯性大小的物理量。

当以相同的力矩分别作用于两个绕定轴转动的不同刚体时，它们所获得的角速度一般是不一样的，转动惯量大的刚体所获得的角速度小，也就是保持原有转动状态的惯性大；反之，转动惯量小的刚体所获得的角速度大，也就是保持原有转动状态的惯性小。

进动性

当转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动；若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。

其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。

这种特性，叫做陀螺仪的进动性。

进动角速度的方向取决于动量矩H的方向（与转子自转角速度矢量的方向一致）和外力矩M的方向，而且是自转角速度矢量以最短的路径追赶外力矩。

如右图。

进动方向

这可用右手定则判定。

即伸直右手，大拇指与食指垂直，手指顺着自转轴的方向，手掌朝外力矩的正方向，然后手掌与4指弯曲握拳，则大拇指的方向就是进动角速度的方向。

进动角速度的大小取决于转子动量矩H的大小和外力矩M的大小,其计算式为进动角速度ω=M/H。

进动性的大小也有三个影响的因素：

1）外界作用力愈大，其进动角速度也愈大；

2）转子的转动惯量愈大，进动角速度愈小；

3）转子的角速度愈大，进动角速度愈小。

现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中

陀螺仪广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。

传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。

自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。

1976年等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。

由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。

和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式的振动陀螺仪，集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。

现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。

塞格尼克理论的要点是这样的：

当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。

也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。

利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，就可以制造出干涉式光纤陀螺仪，如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。

从这个简单的介绍可以看出，干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小，所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度，而谐振式的陀螺仪在实现干涉时，它的光程差较大，所以它所要求的光源必须有很好的单色性。

从本次设计的目的出发我们选用L3G4200D陀螺仪。

该品种的陀螺仪是意法半导体（ST），推出一款业界独创、采用一个感应结构检测三条正交轴向运动的3轴数字陀螺仪。

这种创新的设计概念大幅提升运动控制式消费电子应用的控制精度和可靠性，为设备的用户界面实现前所未有的现场感。

现有的3轴陀螺仪解决方案依赖两个或三个独立的感应结构，顶多是在同一硅基片上；而意法半导体的陀螺仪则是三轴共用一个感应结构，这一突破性概念可以消除轴与轴之间的信号干扰，避免输出信号受到干扰信号的影响。

此外，这个创新的产品架构使意法半导体的工程师将传感器与ASIC接口整合在一个4x4x1mm的超小封装内，解决现在和未来的消费电子应用的空间限制问题。

它让用户可以设定全部量程，量程范围从±250dps到±2000dps，低量程数值用于高精度慢速运动测量，而高量程则用于测量超快速的手势和运动。

这款器件提供一个16位数据输出，以及可配置的低通和高通滤波器等嵌入式数字功能。

就算时间推移或温度变化，这款器件仍然保持连续稳定的输出

传感器模块电路设计方案如图4所示，传感器模块选用L3G4200D陀螺仪进行角度的探测与采集，通过单片机的不同模式对陀螺仪的数据进行接收、处理，然后发送给陀螺仪，使陀螺仪对角度进行进一步的矫正。

L3G4200D陀螺适用于汽车工业、惯性导航、计算机、机器人、军事等急需大量小型、廉价陀螺的应用领域，是国防、工业发展中必不可少的仪器。

但是，L3G4200D陀螺仪在实际应用中达不到需要的精度，为了提高陀螺仪系统工作性能和测量精度，对陀螺仪进行数据采集并减小误差是至关重要的。

陀螺仪在采集数据的过程中设计了补偿电路，矫正陀螺仪在采集数据时的失真，此补偿电路采用MMA8451Q加速度计（传感器）进行矫正失真。

图4传感器模块设计方框图

Figure4Sensormoduledesignblockdiagram

1.2.3驱动模块设计

驱动模块电路设计方案如图5所示，驱动模块选用全对称的H桥进行驱动，这样就提高了驱动电路的精度，而且使用电流传感器进行实时反馈输出电流，已使输出电流稳定，并且使用HIP4082IBsop16芯片和H桥配合驱动负载。

图5驱动模块设计方框图

Figure5Drivemoduledesignblockdiagram

1.2.4驱动电机

有关驱动电机的选择，我们考虑了两种方案：

一种是步进电机、一种是伺服电机。

因步进电机达不到系统所要求的精度，失步会引起控制误差，而且其转速太慢，而伺服电机的高精度特点就很容易满足要求，所以最终选择了伺服电机。

2理论分析与计算

2.1平板状态测量

初始时，平板与摆杆垂直，如图6所示。

逆时针移动摆杆，由旋转编码器可以测得摆杆与垂直的角度θ，由按键逐步调整平板角度，由控制器予以记录，平板顺时针转动了α，此时平板与水平面夹角为β=θ−α。

图6平板状态示意图

Figure6Tabletstatediagram

2.2自由摆运动周期分析

对于理想单摆，当θ角很小时，单摆的周期，但该设计中，起始摆角范围为30~60°，该公式不再适用，故采用经验建模，求取拟合曲线。

使用matlab进行拟合，如图7所示：

拟合曲线为：

，其中x为起始摆角，y为自由摆运动5个周所用时间。

选取20°，30°,40°,45°,50°,60°作为起始摆角，用示波器记录自由摆运动5个周期所用的时间，如表1所示：

2.3自由摆运动过程分析

自由摆AB从自然下垂状态逆时针摆动θ后到达

处，如图6所示。

假设平板与水平面夹角为β，做辅助线

，则

，

对平板上的一枚硬币进行受力分析，易知

，由于硬币摩擦系数极小，摩擦力忽略不计。

由于整个平板沿CD方向的加速度为

，为了使硬币不从平板上滑离，硬币沿CD方向的加速度

（2）

联立以上各式，可知β=θ

即自由摆在运动过程中，平板应与摆杆始终保持垂直。

图7MATLAB拟合示意图

Figure7MATLABfittingschematic

表1摆角-时间关系表

Table1Swingangle-timetable

起始摆角

20°

30°

40°

45°

50°

60°

时间（s）

9.45

9.60

9.68

9.68

9.73

9.92

2.4激光照射模块

AB为自由摆，长度为100cm，若逆时针旋转θ后位置为

，如图8所示。

为了使激光笔照射到中心线上，步进电机需要顺时针旋转α角度，计算如下：

（3）

（4）

（5）

若顺时针旋转θ后位置为

，如图9所示。

为了使激光笔照射到中心线上，步进电机需要顺时针旋转α角度，计算如下：

（6）

图8激光笔照射示意图

Figure8Laserpointerexposureschematic

图9步进电机旋转示意图

Figure9Steppermotorrotationanglediagram

3电路的分析与计算

3.1单片机处理模块电路设计

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。

根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。

1）通用型/专用型这是按单片机适用范围来区分的。

例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。

2）总线型/非总线型这是按单片机是否提供并行总线来区分的。

总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。

3）控制型/家电型这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。

一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。

显然，上述分类并不是惟一的和严格的。

例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。

单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。

为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。

存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。

程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC之中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。

为了符合本次自适应平衡调整系统我们采用STM32ARM单片机

STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。

按性能分成两个不同的系列：

STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。

增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。

两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。

时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz[10]。

整个系统的控制模块主要由STM32ARM单片机最小系统构成，如附图一所示。

3.2角度信号采集电路设计

角度信号采集电路如图10所示。

本设计系统采用陀螺仪对角度信号进行数据采集，根据陀螺仪对大地引力的感应，通过对大地引力角度的偏差感应，使陀螺仪内部电容的发生变化，从而产生电信号，然后传给单片机进行信号的处理，让单片机做出相应的反应来控制输出，达到调整平板角度的目的。

意法半导体（ST）近日推出一款业界独创、采用一个感应结构检测3条正交轴向运