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电子大赛报告

2011年

全国大学生电子设计竞赛

编号：

B甲00230

基于自由摆的平板控制系统（B题）

参赛学生：

王超、单洪朋、姜巧妹

学校、学院：

济南大学控制学院

赛前指导教师：

程新功、魏军

2011年9月3日

目录

1、系统方案

1.1控制器的选择2

1.2电机的选择2

1.3显示模块的选择3

2、理论分析与计算4

2.1平板状态测量方法5

2.2建立数学模型5

2.3控制的方法6

3、系统硬件设计7

3.1控制部分7

3.2通道选择7

3.3测量电路8

4、系统软件设计9

4.1软件组成9

4.2软件程序的流程图10

5、系统测试与结果13

5.1测试仪器13

5.2测试方法13

5.3测试数据13

5.4实际效果14

5.5结果分析14

6、结束语14

附录15

基于自由摆的平板控制系统

摘要：

本系统采用Msp430F449单片机作为主控制器，设计并制作一个自由摆的平板控制系统。

该系统集成了Msp430F449处理器、WDD35角度传感器、步进电机、12864显示、独立按键、无线模块、触摸屏等硬件电路。

系统软件采用C语言进行编写，整个系统软硬件设计较完善，结构清晰，经测试，完成了题目所要求的各项基本指标，并基本达到了发挥部分要求。

关键词：

MSP430F449单片机、角度传感器、PID控制步进电机、自由摆、

Abstract:

ThissystemtakestheMSP430F449ascontrolcoretomaketheflatcontrolsystemsetfree.ItconsistsoftheMsp430F449processor,WDD35angulartransducerandsteppermotor,12864display,IndependentkeyandWirelessModule，thetouchscreenandotherhardwarecircuit.Theentiresystemstructureisclearandthedesignaccomplishesnotonlythebasicdemand,butalsotheextendeddemandofthedesign.

Keyword:

MSP430F449、angulartransducer、freependulum、steppermotor、

PID。

1系统方案

1.1控制器选择

方案一：

采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。

CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，体积小，稳定性高，IO资源丰富，易于进行功能扩展。

采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的

控制核心。

但本系统不需复杂的逻辑功能，对数据处理的速度要求也不高。

因此

我们放弃了这个方案。

方案二：

采用普通的MCS-51作为控制器。

其端口结构为准双向并行口，可兼有外部并行总线，故使其扩展性能非常强大。

但MCS-51单片机功能较单一，因此需要增加较多的外围电路来实现本系统的功能，这使得电路复杂，可靠性降低。

方案三：

MSP430F449单片机做为控制器，该控制器是一款16位的、具有精简指令集的、超低功耗，运行平稳、噪声小、可靠性好的混合型单片机。

同其它单片机相比，具有极低的功耗，且处理速度较高，满足本题目要求。

综合比较以上方案，我们选择方案三作为系统的控制器。

1.2电机选择

方案一：

直流电机速度大，体积小，重量轻，可直接使用单片机输出PWM控制转速，控制较为灵活。

但直流电机比其它电动机维护工作多且复杂，转动角度不精确，难以满足本题目要求。

方案二：

舵机体积小，结构紧凑，便于安装；速度快、输出力矩大，稳定性好；控制简单，便于和数字系统接口，但是价格贵，还会伴随著高损耗的特点。

方案三：

步进电机在非超载的情况下，电机的转速、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，可以准确定位，转动角度精确，虽然步进电机出力矩低，但足以满足本题目要求。

综合考虑，我们选择方案三。

1.3角度传感器的选择

方案一：

M329826角度传感，分辨率较高，旋转力矩小，旋转角度范围大，但价格贵，功耗大。

方案二：

WDD35角度传感器采用硬质铝合金材料制作外壳，采用导电电阻作为材料，经过模压及激光修刻微调，贵金属电刷激流装置等部件，保证了产品的高品质和高性能，具有机械寿命长，分辨率高，转动顺滑，动态噪声小的优良性能。

用7455数字式加速度模块进行测量角度和加速度，然后经过PID算法对电机进行平稳控制。

通过比较，综合考虑我们选择了第二种方案，以满足本题目要求。

1.4系统总体结构

图1-1.系统方块图

1理论分析与计算

2.1平板状态测量方法

当摆杆静止时，采用静态细测法，用量角器测出摆动的初始角度。

当摆杆摆动时，采用激光反射法观测平板是否水平。

2.2建立数学模型

2.2.1将杆理想为细杆，质量为

；平板、角度传感器、电机等理想为质点，质量为

；杆与竖直线成

。

如图2-1所示

图2-1摆臂运动分析图

由转动定律：

转动惯量：

由上两式得：

角加速度

因为：

所以：

角速度

又因为：

转过的角度：

2.2.2图中斜面为平板面，斜面上的物体为硬币，

为平板面与水平面的角度

图2-2硬币受力分析图

m

对硬币受力分析为：

硬币的加速度：

（r为摆杆长度）

平板面与水平面的角度：

2.2.3为使激光笔打到题目所要求的靶子上，理论计算模型如下

图2-3角度分析图

由上图可知：

又因

与

需满足的关系为：

2.3控制的方法

2.3.1将两角度传感器分别安装在杆的上端轴与下端步进电机轴上，一个角度传感器测出杆与竖直方向成的角度

，另一个角度传感器测出平板与水平的夹角，用加速度传感器平板处得加速度。

通过上述理论计算参数，用Msp430控制步进电机转动，以满足基本要求一。

2.3.2用7455数字加速度传感器，去获取摆杆的加速度量，进行触发进行快速调节，改变硬币的受力，来抑制硬币的掉落。

2.3.3硬币放在平板上不滑落的控制，手推动摆杆至一角度

，并用上端轴角度传感器测出其具体的角度值，用另一角度传感器测出平板与水平的夹角

，通过Msp430控制步进电机转动，使满足

，来实现基本要求二、三。

2.3.4发挥部分的控制，一个角度传感器测出杆与竖直方向夹角

，另一个角度传感器测出平板与水平的夹角

，通过Msp430控制步进电机转动，使

与

需满足的关系为：

，即可实现激光笔光斑照射到题目要求的靶子上。

2系统硬件设计

3.1电源模块设计

220V单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压5V和3.3V，电路由图3-1所示。

图3-1电源电路

3.2MSP430最小控制系统电路设计

Msp430最小系统中包括晶振电路、复位电路、串口通讯和数据存储的电路如图3-2。

晶振电路，设计多个Msp430系列单片机时钟模块包括数控振荡器（DCO）、高速晶体振荡器和低速晶体振荡器等3个时钟源。

这是为了解决系统的既需快速处理数据又要求和低功耗要求的矛盾，通过时钟源或为时钟设计各种不同工作模式，才能解决某些外围部件实时应用的时钟要求。

数字控制振荡器DCO已经集成在Msp430内部，在系统中只需设计高速晶体振荡器和低速晶体振荡器两部分电路。

图3-2MSP430F449最小系统电路

3.3电机驱动电路设计

L298是SGS公司的产品，比较常见的15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。

可以方便的驱动一个四相步进电机。

L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。

4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。

输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。

L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。

5，7，10，12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。

驱动电路如图3-3所示，由MSP430控制器的PWM的一个输出作为脉冲控制信号CLK，另选一IO口作为方向控制信号。

光电耦合器件PC817将控制部分和驱动部分隔离开来，这样不仅可以增加各模块间的隔离度，也使驱动电流大大增强。

隔离放大后的CLK、作为电机驱动芯片L298的输入控制信号。

电机绕组电压采用固定VCC供电。

控制板和电机驱动板采用分别供电的方式进行电源隔离，利用光耦传输信号，可以将电动机工作造成的干扰彻底消除，提高系统稳定性。

L298的逻辑输入电压为5V，使用三端式集成稳压器78L05产生的5V电压。

图3-3L298驱动步进电机电路

3.4传感器电路设计

3.4.1WDD35角度传感器

WDD35角度传感器采用硬质铝合金材料制作外壳，采用导电电阻作为材料，经过模压及激光修刻微调，贵金属电刷激流装置等部件，保证了产品的高品质和高性能，具有机械寿命长，分辨率高，转动顺滑，动态噪声小的优良性能。

本系统将两个WDD35角度传感器（如图3-4）分别安装在杆的下端，一个角度传感器测出杆与竖直角度，另一个角度传感器测出平板与水平的角度。

角度传感器采集的角度模拟信号经过放大电路，AD转换电路输出数字信号。

经过Msp430采集并处理，已达到本题目的要求。

图3-4角度传感器传感器

3.4.2加速度传感器

加速度传感器MMA7455L是小型低功耗±2g/±4g/±8g三轴数字输出加速度计,具有信号调理,低通滤波器,温度补偿,自测,以及可配置到检测0g或脉冲检测快速运动等功能,工作电压2.4V到3.6V。

3.5其它电路设计

3.5.112864显示

较为常用的12864作为显示，其内含字库，在显示汉字时十分方便，且反映速度快，造价便宜，功耗低。

本系统采用显示电路如图3-5所示：

图3-512864显示电路

3.5.2无线射频收发

nRF24L01是一款工作在2.4—2.5GHz世界通用ISM频段的单片无限收发器芯片。

无线收发器包括，频率发生器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。

输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。

极低的电流消耗：

当工作在发射模式下发射功率为-6dBm时，电流消耗为9.0mA，接收模式时为12.3mA.掉电模式和待机模式下电流消耗更低。

使用无线收发模块进行数据的通讯，可以方便的控制与监控下位机的运行状态。

3.5.3OCMJ15X20D触摸屏模块

OCMJ15X20D触摸屏模块内建了一个10-bit模拟-数字转换器（AnalogtoDigitalConverter,ADC）及数个模拟开关（AnalogSwitch）。

通过SPI通讯控制内置模数转换器的数据采集，可以得到触摸屏的人为控制讯息。

使用触摸屏控制下位机具有操作方便简单，可达到良好的人机交互功能。

图3-6触摸屏电路

3.5.4基准电压电路

为单片机ADC12和WDD35角度传感器，提供稳定的基准电压提高系统角度测量稳定性和精准性。

图3-7基准电压模块

4系统软件设计

4.1软件组成

通过按键进行模式选择，模式进入后自动识别，并执行任务，实时显示。

PID算法：

PID算法具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等特点，通过从上端角度传感器与下端传感器测出实时数据值，然后根据上端角度传感器数据值推算出理论调节值，与下端角度传感器实测值进行比较，将此偏差进行PID运算，产生的控制量作为执行量，控制步进电机动作，若产生的偏差值大于系统允许偏差值则对电机进行调节，若偏差值小于系统允许偏差值，则停止调节电机。

通过使用PID算法，使电机的工作运行状态更加平稳。

4.2软件程序流程图

图4-1软件程序流程图

5系统测试与测试结果

5.1测试仪器

量角器、刻度尺、秒表

5.2测试方法

基本要求一的测试方法，用量角器测出开始时手推动摆杆的角度，摆杆摆动（3-5周）后，用手强制使摆杆停止摆动，此时在用量角器测出平板与水平位置的角度。

基本要求二、三的测试方法，用量角器测出开始时手推动摆杆的题目要求角度，摆杆摆动期间，目测硬币是否滑落，摆杆摆动5周，用手强制使摆杆停止摆动。

发挥部分的测试方法，用量角器测出开始时手推动摆杆的题目要求角度，立即按下秒表计时，随后目测激光笔光斑是否照射到靶纸的一条直线上，当观测到激光笔光斑照射到靶纸的水平零偏直线附近时，记下秒表此时读数。

然后在用刻度尺测量光斑与直线的距离并记录。

5.3测试数据

表格一不放硬币测试数据

表格二放一枚硬币测试数据

表格三放八枚硬币测试数据

表格四激光照射中心线测试数据

5.4实际效果

精度和稳定性都比较好，基本符合设计要求。

5.5结果分析

测试结果表明，系统性能良好。

系统的个别环节还有待进一步优化和完善。

6结束语

本设计以MSP430为控制核心，实现了一个自由摆上的平板控制系统。

通过测试，系统不但完成了基本要求，也完成了发挥部分的要求。

在设计制作过程中遇到了不少难题，但经过四天三夜的不懈努力，经过一次次的测试和改善，最终较圆满完成了设计任务。

[参考文献]

[1]童诗白华成英.模拟电子技术基础.北京：

清华大学出版社，2006

[2]阎石.数字电子技术基础.北京：

清华大学出版社，2006

[3]胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发.北京:

北京航空航天大学出版社,2003

附录

1.整体电路图