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1、承載平臺(tái)平衡調(diào)整系統(tǒng)報(bào)告摘要: 本設(shè)計(jì)利用兩片單片機(jī)at89s52作為控制核心,單片機(jī)2控制4臺(tái)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而控制伸縮桿來(lái)調(diào)節(jié)承載平臺(tái)的傾斜角度。傾斜角度由角度傳感器測(cè)得的電壓經(jīng)角度公式計(jì)算得出,并通過(guò)a/d轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)1;單片機(jī)1實(shí)時(shí)檢測(cè)平臺(tái)在長(zhǎng)、寬兩個(gè)方向的傾斜角,并通過(guò)液晶顯示器顯示角度值。平臺(tái)的傾斜角度可以在030度之間任意設(shè)置,并能在15秒內(nèi)回復(fù)到平衡狀態(tài)。而且平臺(tái)具有最大1kg的承重能力。 關(guān)鍵詞: 平臺(tái) 平衡 伸縮桿 角度傳感器 1.方案的論證與選擇1.1 總體方案的論證與選擇方案一:采用各類(lèi)數(shù)字電路組成承載平臺(tái)平衡調(diào)整系統(tǒng),對(duì)各電路進(jìn)行控制與處理。此方案電路復(fù)雜,靈敏度差
2、,效率低,不利于平臺(tái)傾斜角度的控制。方案二:采用單片機(jī)作為控制中心,通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)整平臺(tái)的傾斜角度。此系統(tǒng)采用軟件來(lái)解決硬件電路部分,使整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、靈活、穩(wěn)定,并以最簡(jiǎn)潔的方式實(shí)現(xiàn)題目所要求的各項(xiàng)功能。因此,使用方案二。1.2控制電機(jī)的選擇方案一:采用步進(jìn)電機(jī),步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的機(jī)電執(zhí)行元件。控制步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖數(shù)量,頻率及各項(xiàng)繞組的接通順序,可以得到各種需要的運(yùn)行特性。尤其與單片機(jī)相連,體現(xiàn)了更大的優(yōu)越性。方案二:采用直流電機(jī),直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)特性和調(diào)速特性。由于步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖與其轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間具有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系,控制精度高,但是直流電機(jī)
3、的轉(zhuǎn)速較高,轉(zhuǎn)角測(cè)量困難,尤其是針對(duì)小功率直流電機(jī),必須加裝轉(zhuǎn)速傳感器才能較為準(zhǔn)確的測(cè)量其轉(zhuǎn)速。而且直流電機(jī)在斷電時(shí)存在機(jī)械慣性,不利于對(duì)平臺(tái)角度的精確測(cè)量。因此,使用方案一。1.3 傳感器的選擇 方案一:采用角度傳感器信號(hào)調(diào)理器uzz9000和磁阻式傳感器kmz41構(gòu)成的電壓輸出式角度檢測(cè)電路。uzz900與kmz41連接,能夠?qū)⒋抛枋絺鞲衅鱧mz41輸出地2個(gè)有相位差的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成線(xiàn)性電壓輸出信號(hào)。uzz900的輸出電壓與角度成線(xiàn)性關(guān)系。但是難以控制線(xiàn)性電壓的輸出,兩個(gè)輸入信號(hào)偏移的調(diào)整也比較困難。方案二:采用角度傳感器mma7260q來(lái)實(shí)現(xiàn)角度測(cè)量,此傳感器測(cè)量簡(jiǎn)便,精度較高,靈敏度非
4、常好。所以,使用方案二。1.4 伸縮桿的選擇方案一:采用市面上賣(mài)的伸縮桿,長(zhǎng)度幾米左右,但是不能利用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制,所以不能滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。方案二:采用自己制作的伸縮桿,可以利用電機(jī)來(lái)控制它的伸縮,以實(shí)現(xiàn)載重平臺(tái)的傾斜,達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。此方案使用起來(lái)比較簡(jiǎn)便、易行。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖單片機(jī)2傳感器承重平臺(tái)步進(jìn)電機(jī)a/d轉(zhuǎn)換顯示鍵盤(pán)單片機(jī)1 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖說(shuō)明:此設(shè)計(jì)利用鍵盤(pán)設(shè)定傾斜方向和傾斜角度,由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制伸縮桿的伸縮,從而使得承載平臺(tái)的傾角發(fā)生變化,再利用a/d轉(zhuǎn)換,將角度傳感器的輸出電壓轉(zhuǎn)化成角度值送入單片機(jī),由單片機(jī)控制液晶顯示器顯示平臺(tái)的傾斜角。3硬件電路的設(shè)計(jì)3.1
5、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)使用的驅(qū)動(dòng)芯片為uln2003a,它是集電極開(kāi)路輸出功率反相器,并且每個(gè)輸出端都有一個(gè)連接到共同端的二極管,為斷電后的電機(jī)繞組提供一個(gè)放電回路,起放電保護(hù)作用。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示: 圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 本設(shè)計(jì)中使用四臺(tái)步進(jìn)電機(jī)分別控制四根伸縮桿,每臺(tái)電機(jī)由一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路供電,電源采用自制電源。3.2 傾角檢測(cè)原理傾角檢測(cè)采用mma7260q來(lái)實(shí)現(xiàn),mma7260q三軸小量程加速傳感器是檢測(cè)物體運(yùn)動(dòng)和方向的傳感器,它根據(jù)物體運(yùn)動(dòng)和方向的變化輸出相應(yīng)的電壓值 。當(dāng) 平臺(tái)處于水平狀態(tài)時(shí),其輸出電壓為1.65v.如果沿著某一方向活動(dòng),或者受到重力作用,其輸出電壓就會(huì)根據(jù)
6、其運(yùn)動(dòng)方向以及設(shè)定的靈敏度而改變。用a/d轉(zhuǎn)換器讀取此輸出信號(hào),就可以檢測(cè)平臺(tái)的傾角。其電路圖如圖3所示。 圖3 傳感器電路其引腳功能如下:1:z z軸方向電壓輸出 2:y y軸方向電壓輸出 3:x x軸方向電壓輸出 4:s1 傳感器靈敏度選擇信號(hào) 5:s2 傳感器靈敏度選擇信號(hào) 6:3.3v 輸入電壓,同時(shí)可以接受到單片機(jī)a/d參考電壓端 7:5v 電源輸入8:gnd 地 9:sl 傳感器休眠與否選擇 10:gnd 地 默認(rèn)s1,s2開(kāi)關(guān)與靈敏度的關(guān)系s1 s2加速范圍(g)靈敏度(mv/g)r1r2正負(fù)1.5 800 r3 r2 正負(fù)2.0 600 r1 r4 正負(fù)4.0 300 r3 r
7、4正負(fù)6.0 200此次設(shè)計(jì)采用靈敏度為800mv/g的默認(rèn)情況。x,y,z軸的輸出電壓為vout,則輸出電壓與軸的角度關(guān)系為 即測(cè)得的角度為:voffset為無(wú)重力作用下的輸出電壓即1.65v。角度就是x,y,z與水平方向的夾角。3.3 調(diào)平算法 其流程圖如下: 圖4 調(diào)平流程圖原理:開(kāi)始通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置角度和轉(zhuǎn)動(dòng)軸,設(shè)置后單片機(jī)1會(huì)給單片機(jī)2一個(gè)低電平信號(hào),單片機(jī)2根據(jù)給定的信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。若設(shè)置沿長(zhǎng)邊傾斜,則單片機(jī)2會(huì)控制支撐平臺(tái)一邊寬的兩個(gè)伸縮桿上升,另一邊寬的兩個(gè)伸縮桿下降,以便達(dá)到設(shè)定的角度。如設(shè)置沿寬邊傾斜,則道理與沿寬邊相同。若設(shè)置沿任意角度,則平臺(tái)對(duì)頂角的兩個(gè)伸縮桿向相反方
8、向運(yùn)動(dòng)。電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,單片機(jī)1實(shí)時(shí)檢測(cè)平臺(tái)在長(zhǎng)、寬兩個(gè)方向的傾斜角,并通過(guò)液晶顯示器顯示角度值,傾斜角度由傳感器檢測(cè)的x軸和y軸電壓通過(guò)角度轉(zhuǎn)換公式得來(lái)。當(dāng)傳感器檢測(cè)到按鍵所設(shè)定的角度時(shí),單片機(jī)2控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。再通過(guò)一個(gè)按鍵來(lái)恢復(fù)平臺(tái)的角度。當(dāng)按鍵按下時(shí)單片機(jī)2會(huì)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),原來(lái)的伸縮桿沿相反方向運(yùn)動(dòng),平臺(tái)逐漸恢復(fù)平衡,直到傳感器檢測(cè)到零時(shí),單片機(jī)2控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng),平臺(tái)達(dá)到平衡狀態(tài)。3.4 供電電源的設(shè)計(jì) at89s52單片機(jī)使用+5v電源供電,因此本設(shè)計(jì)采用lm7805三端穩(wěn)壓器構(gòu)成+5v直流穩(wěn)壓電源,電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。利用變壓器、整流橋和濾波電容將220v市電轉(zhuǎn)換成直流電,再
9、由lm7805實(shí)現(xiàn)+5v穩(wěn)壓輸出。 圖5 +5v電源 4.軟件部分設(shè)計(jì)程序流程圖 圖6 程序流程圖說(shuō)明:在鍵盤(pán)中輸入轉(zhuǎn)動(dòng)的角度,以及轉(zhuǎn)軸的選擇,同時(shí)單片機(jī)1控制顯示器不斷地進(jìn)行掃描,將檢測(cè)到平臺(tái)的角度顯示出來(lái),單片機(jī)2通過(guò)比較判斷設(shè)定的角度和測(cè)得的角度來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向,直到平臺(tái)出現(xiàn)設(shè)定的角度,單片機(jī)2控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。按下調(diào)平鍵,則平臺(tái)開(kāi)始恢復(fù)平衡,直到角度傳感器檢測(cè)到零則電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng):在平臺(tái)上放置兩個(gè)傳感器,分別將兩個(gè)傳感器的x軸,y軸電壓輸出經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換并帶入角度公式求出測(cè)得的角度值,由單片機(jī)1控制將角度在顯示器上顯示出來(lái)。5.實(shí)際測(cè)試 5.1 測(cè)量?jī)x器: 直尺,量角器,秒表5.2 測(cè)量方
10、法: 平臺(tái)轉(zhuǎn)過(guò)一定角度時(shí),用量角器和直尺來(lái)測(cè)量平臺(tái)的傾斜角度,與顯示器顯示的角度值相比較,可得出誤差值,即測(cè)量精度。 5.3 測(cè)量結(jié)果:表5.3.1 平臺(tái)沿x軸傾斜設(shè)定的角度 4 8 12 1620傳感器檢測(cè)到的角度 實(shí)際測(cè)量的角度 誤差 調(diào)平時(shí)間表5.3.2 平臺(tái)沿y軸傾斜設(shè)定的角度 4 8 12 16 20傳感器檢測(cè)到的角度 實(shí)際測(cè)量的角度 誤差 調(diào)平時(shí)間5.4 測(cè)量結(jié)果分析由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,平臺(tái)沿x和y軸傾斜時(shí),測(cè)量精度和調(diào)平時(shí)間均在題目要求的范圍內(nèi),但傳感器檢測(cè)到的角度與顯示器顯示的角度存在誤差,即平臺(tái)系統(tǒng)不夠穩(wěn)定,因?yàn)閭鞲衅鞯撵`敏度較高,只要平臺(tái)有一點(diǎn)小的波動(dòng), 傳感器就會(huì)檢測(cè)到平臺(tái)的角度。所以設(shè)定的角度與傳感器檢測(cè)到的角度值必然會(huì)存在誤差。6結(jié)論本設(shè)計(jì)是利用單片機(jī)控制的承載平臺(tái)平衡調(diào)整系統(tǒng),由最終實(shí)驗(yàn)測(cè)結(jié)果得知平臺(tái)基本可以完成對(duì)設(shè)定的x或y軸傾斜角度的測(cè)量 ,即基本要求可以達(dá)到。發(fā)揮部分基本可以完成第一、第二個(gè)要求和第五個(gè)要求,其它部分難以達(dá)到題目要求,主要原因是步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不能再提高,如果提高轉(zhuǎn)速的話(huà),平臺(tái)就比較容易失去平衡。測(cè)量精度會(huì)有誤差。附1:元器件清單 器件 數(shù)量at89s52 2個(gè) 傳感器 2個(gè)
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