基于自由摆的平板控制系统报告.docx

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基于自由摆的平板控制系统报告

2011年全国大学生电子设计竞赛

基于自由摆的平板控制系统（B题）

【本科组】

编号B甲01204

题目基于自由摆的平板控制系统（B题）

学校山东交通学院

系部

信息工程系

专业电信电信自动化

学生姓名廖连兵刘柯寇海华

指导教师温巍

参赛时间2011.8.31——2011.9.3

摘要3

1.1课题分析5

1.2本论文概述5

第二章系统总体设计方案5

2.1自由摆控制系统的原理与组成5

2.2系统模块器件的选定5

2.2.1控制器的论证与选择5

2.2.2传感器器件的论证与选择5

2.2.3执行元件的论证与选择6

2.2.4控制驱动的论证与选择6

2.2.5人机交互的论证与方案6

2.2.6模块器件清单6

第三章测控系统的硬件设计6

3.1框架系统的结构6

3.2电源模块6

3.3角度传感器：

MMA7260QT7

3.4电机驱动：

L298N7

4.1流程图7

4.2子程序流程图8

第五章测试及结论10

5.1定点测试10

5.2动态性能测试10

5.3改变负载10

5.3.1不放硬币时的测量方法10

5.3.2放硬币时的测量方法10

5.4带激光灯时的角度控制10

5.5实验数据11

5.5.1旋转实验测试11

5.5.2放硬币实验测试11

5.6发挥部分功能测试12

摆杆固定时的测试12

参考文献13

附件1原理图13

附件2主要程序14

摘要

本系统是以C8051F040为控制芯片控制步进电机，从而调节木板平衡的闭环平板控制系统。

该系统是主要由摆架框架、数据采集部分、主控板、驱动系统四大部分组成。

系统的软硬件设计都采用了模块化的设计思想。

硬件方面详细介绍了传感器电路、信号调试电路、电机驱动电路以及系统扩展所需的其它一些外围电路的设计，软件方面以硬件电路为基础分别进行了模块化设计。

为使测控系统控制更精确在数据采集的过程中采用了非线性误差校正以及数字滤波等数据处理方法。

同时设计中考虑到可能存在的各种干扰因素,采用了软硬件结合的抗干扰技术提高平板控制系统的稳定性。

关键字：

C8051F040闭环平板控制系统模块化

ABSTRACT

ThissystemisbasedonC8051F040forcontrolchipcontrolsteppingmotor,whichregulatesboardbalancedclosed-loopcontrolsystem.Thesystemismainlybythependulumframeframe,thedataacquisitionpart,maincontrolboard,drivingsystemcomposedoffour.Thedesignofthesoftwareandhardwaresystemusingmodulardesignthought.Hardwareintroducedindetailthesensorcircuit,signalregulatecircuit,motordrivecircuitandsystemextensionrequiredsomeoftheotherperipheralcircuitdesignofsoftware,hardwarecircuitasthefoundation,themodulardesign.Tomakethemeasurementandcontrolsystemcontrolmoreaccurateintheprocessofcollectingdatausingnonlinearerrorcorrectionanddigitalfilteringmethodofdataprocessing.Atthesametimetoconsiderthedesigntothepossibleinterferencefactors,usingacombinationofhardwareandsoftwareanti-interferencetechnologyimprovethestabilityoftheFlatcontrolsystem.

Keyword:

C8051F040closed-loopcontrolsystemFlatcontrolsystemmodularization

第一章绪论

1.1课题分析

基于自由摆的平板控制系统应用的原理是现代检测与控制技术。

它是现代自动化控制系统应用的典型产物,是一个闭环的控制系统。

1.2本论文概述

该控制系统是一个动态自动平衡测试系统。

本文完成以下几方面工作：

1）确定系统构成。

系统主要包括两部分，一是被控部分，主要是系统物理组成形成形式，包括摆架构成、传感器与电机的安装；二是控制部分，主要是用于控制被控制对象的微处理器类型及其软件的控制规律。

2）选择合适的处理器设计主控板，完成传感器、信号调试、电机驱动模块等建测控系统的硬件电路设计。

3）根据实际硬件平台进行算法和软件编写，实现各个功能模块。

4）对传感器进行标定，进行误差分析，提高测控系统的准确度。

5）针对已做工作进行总结，并在此基础上进行改进。

第二章系统总体设计方案

2.1自由摆控制系统的原理与组成

自由摆控制系统的原理与组成自由摆控制系统结构框图如图2-1所示，是由数据采集模块、控制驱动模块、伺服机构和自由摆本体等几大部分构成的一个闭环系统。

在系统中可通过倾角传感器的反馈获得自由摆末端被控对象的位移，控制驱动模块实时读取传感器反馈的数据，确定控制决策（电机应该向哪个方向转动、转动速度、加速度等），同时控制模块通过处理器内部的控制算法实现该控动状态。

驱动电路

步进电机

C8051F040单片机控制器

人机互动

加速度传感器

A/D转换

图1.系统总的框图

2.2系统模块器件的选定

本系统主要由数据采集模块、控制驱动模块、伺服机构和自由摆本体电源模块组成。

下面分别论证这几个模块的选择。

2.2.1控制器的论证与选择

方案选定：

51系列单片机的应用比较广泛，各种技术都比较成熟。

所以我们选定C8051F040单片机。

它是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机，在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制的智能节点所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件，完全能够完成这次设计的要求我们。

2.2.2传感器器件的论证与选择

现有的角度传感器种类很多，如电介液式、电位器式、电容式、电感式及陀螺地平仪等复合式倾角传感器，考虑到是检测重物作用下的平板微动方向，要求传感器有较好的灵敏度及响应速度，同时要使传感器安装方便，选用角度传感器MMA7260QT，它根据物件运动和方向改变输出信号的电压值，直接将其放在用单片机的A/D转换器读取此输出信号，就可以检测其运动和方向。

我们可以将它直接接在平板上就可以检测出平面的倾角。

2.2.3执行元件的论证与选择

执行元件选择步进电机，使用步进电机的原因包括操作简单，由于可接受数字脉冲输入而变得易于与其他设备接口，优秀的起停和反转响应运行过程中精度没有累计误差等。

本次设计采用的步进电机是四相励磁式步进电机42BYGH02。

2.2.4控制驱动的论证与选择

控制驱动模块是平衡控制系统的核心是实现系统闭环的关键环节。

它接收加速度传感器反馈的电压数据，进而根据给定的控制算法计算出控制量，输出后控制电机的转动，从而维持系统的平衡。

同时控制驱动模块需监控电机运转情况，通过软件实现最佳位置控制及超速保护等。

控制驱动模块包括数据处理芯片、内存、通信总线、电机驱动模块。

2.2.5人机交互的论证与方案

人机交互模块是使用键盘控制进行模式切换，经过讨论，我们选择现有的无线模块转换工作方式，原因：

可以远距离调控，方便快捷的实现模式转换。

综上所述：

基于自由摆的木板控制系统的设计方案是以C8051F040作为控制芯片，通过控制步进电机驱动电路，调节6cm×10cm木板的稳定，为了使该系统稳定运行，我们把它设定为一个闭环控制系统，应角度传感器MMA7260QT检测木板所在位置的角度，从而把信息反馈给控制器进行调节，保证木板的水平。

从而提高系统的稳定性。

2.2.6模块器件清单

人机互换模块：

SC2272;

控制模块：

C8051F040单片机；

步进电机驱动模块：

L298;

检测模块：

角度传感器MMA7260QT；

第三章测控系统的硬件设计

本章节重点讲述整个检测与控制系统的硬件结构框架及细节设计。

系统硬件采用模块化结构便于升级和维护。

3.1框架系统的结构

摆架系统的结构摆架系统包括摆架座、摆杆、轴承及弹性元件等起支撑平板工作台的作用。

选择的材料要保证摆架有足够的刚度同时为保证控制方便，有较高的灵敏度，要求摆杆重量适当。

3.2电源模块

为了提高系统的稳定性，我们选择220V经过7805的电压变换后给单片机系统和其他芯片供电。

图2电源设计电路

3.3角度传感器：

MMA7260QT

MMA7260QT低成本微型电容式加速度传感器,采用了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，并且提供4个量程可选，用户可在4个灵敏度中的选择。

该器件带有低通滤波并已做零g补偿。

本产品还提供休眠模式，因而是电池充电的手持设备产品的理想之选。

鉴于以上特点，我们选用了MMA7260QT

3.4电机驱动：

L298N

L298N是意法半导体公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。

是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。

其引脚排列如图3-5所示，1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。

L298可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。

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。

驱动芯片引脚电路图：

图3逻辑电路图4管脚标注

第四章系统软件设计

4.1流程图

图5程序总的设计框图

4.2子程序流程图

模块一流程图

图6自由摆动设计流程图

模块二流程图

图7放硬币的自由摆程序

模块三的流程图

图8调节程序流程图

第五章测试及结论

自由摆的示意图如图9所示：

β

摆杆竖直位置

摆杆起始位置

90°—β

平板

图9

5.1定点测试

定点测试主要是观察步进电机的反应快慢。

用手推动摆杆摆起一个角度，利用倾角传感器提供的当前平板与水平位置的角度，处理器计算出恢复平衡位置所需的脉冲个数并发送给步进电机，电机收到信号后带动平板向反向方向转动，到达平衡位置时停止转动。

反复调整脉冲的频率，确定使步进电机能迅速反应且稳定工作的频率，使摆杆在稳定后的几秒内，平板处于水平状态。

5.2动态性能测试

从零度开始，在两秒钟内缓慢平稳地将摆杆推至三十度出，在此工程中平板保持水平状态。

将摆杆缓慢推至一定角度θ在（45º～60º）处，待平板达到水平后释放，让摆杆做自由阻尼摆动直至静止，在摆动过程中使平板保持水平状态。

测试表明，平台在跟踪速度要求范围响应迅速。

5.3改变负载

5.3.1不放硬币时的测量方法

如图5-1所示，假设摆杆的初始角度为ß，则当平板由初始位置转到竖直位置时对应的步进电机转动90°。

在执行程序时，时刻对传感器的输出电压做AD转换，进而转换成摆杆的角度，将两次测量的角度结果相减，从而求出步进电机应转动的角度。

公式为Δ=90°*|α1—α2|，其中Δ为步进电机应转动的角度，α1、α2分别为两次测量的摆杆与水平面的夹角。

5.3.2放硬币时的测量方法

经测试，当平板与摆杆垂直时，摆杆摆动时硬币不会滑落。

于是我们讨论后决定以下方案：

放下摆杆后，在很短的时间内使摆杆与平板垂直，此后步进电机不再转动。

如图5-1，步进电机转动步数公式为：

step=ß/0.225。

综述结果：

我们设计的基于自由摆的平板控制系统初步完成设计要求，系统稳定性有待提高。

5.4带激光灯时的角度控制

图10图11

当摆杆向左倾斜时，如图10所示。

步进电机应转动的角度

.

当摆杆向右倾斜时，如图11所示。

步进电机应转动的角度

5.5实验数据

基本部分功能包括：

（1）实现了摆杆摆动一周，平板旋转一周的功能；

（2）在摆角为30°-45°时，实现了一枚硬币在5个摆动周期内不从平板滑落的功能；（3）在摆角为45°-60°时，实现了八枚硬币在5个摆动周期内不从平板滑落的功能。

5.5.1旋转实验测试

将摆杆人为拉至不同的角度，启动方式1后，松开摆杆，在摆杆摆动的同时，测量平板转动角度和摆杆摆动周期。

结果如表1.

摆杆角度

摆动周期

平板旋转圈数

30

5

45

5

50

5

60

5

表1旋转实验测试结果

5.5.2放硬币实验测试

在平板上放置一些一元硬币，将摆杆拉至不同角度，启动方式2后，松开摆杆，观察板上硬币的情况。

如表2和表3所示。

摆杆角度

摆动周期

硬币滑离原点距离

30

5

0

35

5

0

40

5

0

45

5

0

表2一枚硬币时的测试结果

摆杆角度

摆动周期

滑落硬币个数

45

5

50

5

55

5

60

5

表3八枚硬币时的测试结果

5.6发挥部分功能测试

摆杆固定时的测试

将激光笔固定在平板上。

首先，将平板置与水平位置，激光照射在一点，标记该点。

将摆杆人为拉开一个角度（30°—60°）并固定。

平板将自动转动，使激光笔重新照射到初始点。

观察并记录两次光点间距离和所用时间。

如表4.

摆杆角度

两点间距离

时间

30

45

50

60

表4

参考文献

【1】金以蕊主编，过程控制北京：

清华大学出版社，1999；

【2】童长飞著c8051f系列单片机开发与c语言编程

【3】范超毅，范巍.步进电机的选型与计算.机床与液压，2008,36（5）；310-313

【4】吴秀芹，高国伟，李倩芸等.倾角传感器自动标定系统的研究.传感器与微系统.2009,28（4）:

20-23

附件1原理图

附件2主要程序