基于自由擺的平板控制系統(tǒng)【國二獎

1、2011年全國大學生電子設(shè)計競賽控制類基于自由擺的平板控制系統(tǒng)【國二獎】 感謝天龍，堯總。雖辛苦，卻難忘，感謝一同走過。文中一些是使用的圖片，若看起來不美觀的話，可以去百度文庫下載，/view/618c20670b1c59eef8c7b4a3.html一、總體方案設(shè)計1.主控系統(tǒng)選擇方案一：使用傳統(tǒng)51單片機作為主控制器，價格低廉，但其運算速度慢，片內(nèi)資源少，存儲容量小，難以實現(xiàn)復雜的算法。方案二：使用FPGA，CPLD等大規(guī)模可編程邏輯控制器件，其時鐘頻率很高，運算速度很快，但不適合于該題目。方案三：使用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的EasyA

2、RM1138單片機，它有8通道10位ADC，使用方便且低功耗。方案比較：綜合比較，選擇方案三。2.角度測量方案一：使用雙軸傾角傳感器SCA103T-D04，測量范圍為15度，可適用于垂直方向的各種角度的測量。方案二：使用電位器作為角度傳感器，由于不同角度輸出的電阻值不同，通過AD采樣電阻兩端電壓，計算得到角度。方案三：使用Angtron-RE-38-V-Lite旋轉(zhuǎn)編碼器，角度測量范圍為0360，根據(jù)不同角度，可直接輸出不同的電壓值，線性度好。方案比較：對于方案一，雖然SCA103T精度較高，但它是基于加速度原理進行測量，使用SCA103T進行傾角檢測時，應保證被測設(shè)備勻速運動，否則會引進誤差

3、，而在自由擺系統(tǒng)中，平板不是勻速運動。雖然可以采用峰值濾波和一階慣性濾波相結(jié)合的方式通過軟件編程進行處理，但較繁瑣。對于方案二，對于一般的電位器，線性度較差，而對于線性度較好的電位器，如22HP-10等，價格較高。對于方案三，使用該旋轉(zhuǎn)編碼器，可以直接對輸出電壓進行AD采樣，計算得出角度值，使用方便。綜合考慮，選擇方案三測量自由擺運動過程中的擺角。3.電機選擇方案一：使用伺服電機作為執(zhí)行元件，運行精確，能高速制動，慣量小，適合閉環(huán)控制。方案二：使用步進電機作為執(zhí)行元件，由于步進電機是采用脈沖驅(qū)動，精度較高，適合開環(huán)控制。方案比較：對于方案一，雖然伺服電機性能良好，但價格較高。對于方案二，步進電

4、機可以通過16細分可以減弱低頻振動，控制方便，開環(huán)性能良好，可以適用于該設(shè)計。綜合考慮，選擇方案二。4.松手檢測方案一：軟件檢測，用手推動擺桿至一定角度，通過AD采樣測得，若程序檢測到開始減小，說明推動擺桿的手已經(jīng)松開，步進電機可以開始調(diào)整平板角度。方案二：硬件檢測，使用紅外收發(fā)管，若檢測到下降沿，說明推動擺桿的手已經(jīng)離開，程序可以開始相應的控制。方案比較：對于方案一，針對自由擺進行運動分析，易知自由擺在較高點處速度較小，導致AD采樣檢測到減小時，距離手松開已經(jīng)過去了一段時間，通過程序補償該延遲的算法較麻煩，較難實現(xiàn)。對于方案二，經(jīng)硬件檢測，延遲很小，步進電機可以及時做出反應，且實現(xiàn)較方便。綜

5、合考慮，選擇方案二。5.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖使用旋轉(zhuǎn)編碼器作為角度傳感器，經(jīng)AD采樣，讀取當前自由擺的角度值。使用紅外收發(fā)管檢測是否松開了擺桿，若檢測到高電平，說明手已經(jīng)松開，觸發(fā)中斷，此時的AD采樣值即為起始擺角。采用前饋控制系統(tǒng)，通過控制器控制步進電機的運動，使其運動達到要求。同時，可以在LCD顯示一些測量數(shù)據(jù)和功能列表，供用戶選擇，同時LED燈在一些功能中也會點亮。二、理論分析與計算1.平板狀態(tài)測量 初始時，平板與擺桿垂直，如圖3所示。逆時針移動擺桿，由旋轉(zhuǎn)編碼器可以測得擺桿與垂直的角度，由按鍵逐步調(diào)整平板角度，由控制器予以記錄，平板順時針轉(zhuǎn)動了，此時平板與水平面夾角為。2.自由擺運

6、動周期分析對于理想單擺，當角很小時，單擺的周期，但該設(shè)計中，起始擺角范圍為3060，該公式不再適用，故采用經(jīng)驗建模，求取擬合曲線。分別選取作為起始擺角，用示波器記錄自由擺運動5個周期所用的時間，如表1所示：表1起始擺角（）203040455060時間（s）9.459.609.689.689.739.92使用matlab進行擬合，如圖2所示：圖2 不同起始擺角下自由擺運動5周所用時間擬合曲線為：y=0.0105*x+9.248，其中x為起始擺角，y為自由擺運動5個周期所用時間。3.自由擺運動過程分析自由擺AB從自然下垂狀態(tài)逆時針擺動后到達AB處，如圖3所示。假設(shè)平板與水平面夾角為，做輔助線，對平

7、板上的一枚硬幣進行受力分析，易知，由于硬幣摩擦系數(shù)極小，摩擦力忽略不計。由于整個平板沿CD方向的加速度為，為了使硬幣不從平板上滑離，硬幣沿CD方向的加速度聯(lián)立以上各式，可知即自由擺在運動過程中，平板應與擺桿始終保持垂直。4.激光照射模塊AB為自由擺，長度為100cm，若逆時針旋轉(zhuǎn)后位置為AB，如圖4所示。為了使激光筆照射到中心線上，步進電機需要順時針旋轉(zhuǎn)角度，計算如下：四、測試方案與測試結(jié)果1.測試方案1.1測試儀器：RIGOL DS1102E 示波器，JWY302x2S 可調(diào)穩(wěn)壓電源，VICTOR VC9801A萬用表1.2調(diào)試方法：1.2.1對于基本功能1，分別針對起始擺角，讀取自由擺運動

8、5個周期后步進電機偏差的絕對值，結(jié)果如表2所示。1.2.2對于基本功能2，分別針對起始擺角，讀取自由擺運動5個周期后，硬幣滑離中心點的距離，結(jié)果如表3所示。1.2.3對于基本功能3，分別針對起始擺角，讀取自由擺運動5個周期后，仍在平板上的硬幣數(shù)，以及有效的硬幣數(shù)（注：有效硬幣數(shù)=平板上硬幣數(shù)-非保持疊放狀態(tài)硬幣數(shù)），結(jié)果如表4所示。1.2.4對于擴展功能1，分別針對為擺角，測取偏差絕對值，結(jié)果如表5所示。1.2.5對于擴展功能2，測取3次擺動時的平均偏差絕對值，結(jié)果如表6所示。2.測試結(jié)果表2 基本功能1起始擺角（）30405060偏差絕對值（）2371532表3 基本功能2起始擺角（）30354045滑離中心點的距離（cm）05表4 基本功能3起始擺角（）45505560平板上硬幣數(shù)8841有效硬幣數(shù)6621表5 擴展功能1起始擺角（）-50-40-30304050偏差絕對值（cm）0.50.5表6 擴展功能2次數(shù)123平均偏差絕對值（cm）5343.結(jié)果分析基本功能135擴展功能11cm基本功能21cm擴展功能2平均偏差4cm基本功能3平均有效硬幣4個參考文獻：1 鄭家龍等.集成電子技術(shù)基礎(chǔ)教程，北京：高等教育出版社，2008.62