基于自由擺的平板控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計論文

1、基于自由擺的平板控制系統(tǒng)摘要本系統(tǒng)以由msp430F149單片機作為中心控制系統(tǒng)，由角度監(jiān)測模塊、電機驅(qū)動模塊、液晶顯示模塊、鍵盤模塊和電源電路組成。角度監(jiān)測模塊采用三軸加速度傳感器mma7361，實時測量平板與水平面的角度，通過多次采集取平均值的方法基于傾角轉(zhuǎn)換公式將所采樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成角度反饋給單片機，從而控制步進電機轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，使物體能始終保持平衡，并通過液晶實時顯示所轉(zhuǎn)過的角度。電機驅(qū)動部分使用SM-202A細分驅(qū)動驅(qū)動步進電機精確地控制平板轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度。最后通過傳感器采集的角度實時控制電機旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度以使激光筆始終照射在水平線附近。本操作簡單，控制界面直觀、簡潔，經(jīng)檢驗系統(tǒng)性能指標

2、達到了設(shè)計要求，工作可靠，功耗低，具有良好的人機交互性能。關(guān)鍵詞：平衡控制、msp430單片機、角度傳感器、步進電機目錄1、引言.12、系統(tǒng)方案. . . . .12.1控制器模塊的論證與選擇12.2角度檢測模塊的論證與選擇12.3電機的論證與選擇12.4顯示模塊的論證與選擇23、理論分析與設(shè)計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.1擺桿擺一個周期平板轉(zhuǎn)一周23.2硬幣不滑落的建模與計算23.3使激光筆始終照射在中心線附近的建模與計算34、電路與程序設(shè)計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34

3、.1模塊設(shè)計34.1.1系統(tǒng)總體框圖34.1.2角度檢測模塊設(shè)計44.1.3電機驅(qū)動模塊設(shè)計44.2程序設(shè)計54.2.1程序功能描述與設(shè)計思路54.2.2程序流程圖55、測試方案與測試結(jié)果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65.1測試方案65.1.1硬件測試65.1.2軟件仿真測試65.1.3硬件軟件聯(lián)調(diào)65.2測試條件與儀器65.3測試結(jié)果及分析66、設(shè)計總結(jié). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8附錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4、. . . . . . . . . .9一、引言隨著單片機的不斷普及，其與傳感器的結(jié)合也在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用得越來越廣泛，尤其在自動控制領(lǐng)域更是得到了管廣泛應(yīng)用，本系統(tǒng)正是在這樣的背景下應(yīng)用單片機與傳感器進行設(shè)計制作。二、系統(tǒng)方案2.1控制器模塊的論證與選擇根據(jù)設(shè)計要求，控制器主要用于計算平板調(diào)整角度、控制電機工作模式、顯示擺桿與垂直面夾角及系統(tǒng)完成激光筆照射在中心線上時的聲光提示。方案一：采用STC89C51作為系統(tǒng)控制器。它的技術(shù)成熟，成本低，引腳較少，硬件布局較簡單。STC89C51為八位單片機，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度慢，且實時性不好，復(fù)雜的控制算法難以實現(xiàn)，不利于高精度的控制。方案二：采用TI公司的M

5、SP430f149單片機作為控制器。MSP430系列單片機是16位、RISC、超低功耗的處理器。其超低功耗的架構(gòu)加上靈活的時鐘系統(tǒng)可延長電池的使用壽命；處理能力強，運算速度快，其內(nèi)部集成了12的AD，并采用了DMA模塊，因此其數(shù)據(jù)傳輸速度快；且成本低。綜合考慮以上兩種方案，采用方案二。2.2度檢測模塊的論證與選擇角度檢測模塊檢測平板與水平方向的夾角以及檢測擺桿與垂直方向的夾角。方案一：采用mma7361檢測。mma7361是一款低功耗、低成本、低姿態(tài)微型電容式三軸加速度傳感器，具有信號調(diào)理，溫度補償，自我測試，MMA7361L包括一個休眠模式，可使用電池供電。方案二：采用AS5040檢測。AS

6、5040是由AMSCO公司生產(chǎn)的一種非接觸、高分辨力編碼、在0360范圍內(nèi)進行角度測量的傳感器芯片。但為了測量角度，需要使用兩極磁鐵，在芯片的中心旋轉(zhuǎn)。這樣使得系統(tǒng)更加復(fù)雜，且加大了電機負載。綜合以上兩種方案，考慮成本及功耗等因素，選擇方案一。2.3制電機的論證與選擇方案一：采用減速電機。減速電機結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，承受過載能力強，且能耗低，性能優(yōu)越，效率高，振動小。但由于機械效率影響，減速電機輸出扭矩的增加和電機功率的增加不成正比，易出現(xiàn)死區(qū)現(xiàn)象，不利于控制。方案二：使用步進電機。步進電機的旋轉(zhuǎn)角度正比于脈沖數(shù)，精度高且不累計誤差，具有較好的位置精度和運動的重復(fù)性。另外步進電機的顯著特點就是快

7、速啟停能力和轉(zhuǎn)換精度高，正反轉(zhuǎn)控制靈活。綜合以上兩種方案，擺桿在運動過程中需要進行實時檢測平板和擺桿的位置，且需要系統(tǒng)啟停反應(yīng)快，故選擇方案二。2.4顯示模塊的論證與選擇方案一：使用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管電壓低、壽命長、對外界環(huán)境要求低，易于維護，同時它是采用BCD編碼顯示數(shù)字，亮度高。但是其耗能大，電路復(fù)雜，占用資源較多，且顯示信息少，精度低。方案二：使用液晶屏顯示。LCD具有輕薄短小、低耗電量、影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，可視面積大，畫面效果好，顯示信息量大，分辨率高且抗干擾性強；外圍電路少，使用方便。綜合考慮以上兩種方案，選擇采用方案二。三、理論分析與設(shè)計3.1擺桿一個周期平板轉(zhuǎn)一周根據(jù)擺桿擺動周

8、期公式，可近似求出擺桿擺動一個周期所需的時間。利用所算出的時間控制電機在這一時間段內(nèi)旋轉(zhuǎn)360，在允許誤差范圍內(nèi)該方案可滿足題目要求。3.2硬幣不滑落的建模與計算圖1 硬幣不滑落時的物理模型如圖1所示，設(shè)當擺桿傾角為時，平臺與水平方向的夾角為。對硬幣進行受力分析，其合力為自身重力與離心力這兩個力的合力。若硬幣不掉，則平臺平面與合力方向垂直。由此可建立平面幾何模型，求得與的關(guān)系。具體計算如下：在ABC中，利用余弦定理求得。其中，。再利用正弦定理得。由于平臺轉(zhuǎn)動角后水平，所以硬幣不滑落的平臺旋轉(zhuǎn)角度為度。3.3使激光筆始終照射在中心線附近的建模與計算圖2 激光照射系統(tǒng)模型如圖2，理論上系統(tǒng)在沒有對

9、平板做任何處理時，平板垂直于擺桿，且與水平面成角，在基本要求部分中，只要調(diào)節(jié)平板始終與水平面夾角為0；要使激光筆能照射中心線，則平板的轉(zhuǎn)動角即。在擺桿靠近靶子一側(cè)表達式為：；在擺桿遠離靶子一側(cè)有表達式：通過該關(guān)系表達式可確定平板在不同時刻相對擺桿所需擺過的角度，經(jīng)過msp430單片機計算控制可使平板上的激光筆始終照射在中心線附近。四、電路與程序設(shè)計4.1模塊設(shè)計4.1.1系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖3：圖3 系統(tǒng)總體框圖4.1.2角度檢測模塊設(shè)計電路如圖4所示。我們選用三軸加速度傳感器mma7361測量平板轉(zhuǎn)動角度。通過使用MSP430內(nèi)部12位ADC采樣X、Y、Z輸出的模擬量，并利用三軸建模

10、可以計算出平板的傾角。圖4 角度模塊電路圖4.1.3電機驅(qū)動模塊設(shè)計圖5 電機驅(qū)動模塊4.2程序設(shè)計4.2.1程序功能描述與設(shè)計思路本系統(tǒng)主要通過430單片機來控制電路的鍵盤輸入，平板狀態(tài)控制的算法和顯示操作等功能，通過三軸加速度傳感器模塊檢測平板與水平面的夾角。細分驅(qū)動SM202-A驅(qū)動步進電機實現(xiàn)平板的旋轉(zhuǎn)。通過鍵盤輸入系統(tǒng)的工作模式，并通過LCD直觀地顯示相關(guān)參數(shù)。4.2.2程序流程圖圖6 程序流程圖五、測試方案與測試結(jié)果：5.1測試方案5.1.1硬件測試硬件測試時，可先用萬用表檢測印制板及焊接的質(zhì)量是否符合要求，有無虛焊及線路間有無短路、斷路，檢查無誤后，可通電檢測電源部分是否正常工作

11、。5.1.2軟件仿真測試軟件編譯和仿真調(diào)試是在IAR編譯器下進行，源程序編譯及仿真調(diào)試應(yīng)分段或子程序為單位逐個進行，最后結(jié)合硬件實時調(diào)節(jié)。子程序測試包括：1）顯示程序；2）聲光提示程序；3）鍵盤程序；4）角度傳感器模塊。5.1.3硬件軟件聯(lián)調(diào)基本要求的測試第一次，我們設(shè)置平板的擺動為模式1，要求平板能隨著擺桿的擺動而旋轉(zhuǎn)35周，平板旋轉(zhuǎn)一周偏差不大于45。第二次，設(shè)置平板的工作為模式2，在平板上粘貼一張畫有一組間距為1cm平行線的打印紙，將擺桿從45處放下，5周期后，控制擺桿緩慢停下，這時硬幣滑離平板中心距離0cm。第三次，讓擺桿從60處放下，5周期后，控制擺桿緩緩?fù)Ｏ?，此時接觸平板的硬幣數(shù)為

12、1。5.2測試條件與儀器1、測試條件：檢查電路板，保證電路無虛焊及線路間無短路、斷路。2、測試儀器如表1：表1 測試儀器序號類型1直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源2數(shù)字萬用表3量角器4卷尺5秒表5.3測試結(jié)果及分析5.3.1測試分析與結(jié)論測試結(jié)果如2：表2 擺桿和平板測量周數(shù) 木板旋轉(zhuǎn)時間t1 擺桿擺動時間t2 t t/t2 10r 18.7s 19.2s 0.5s 2.6%20r 37.9s 38.6s 0.7s 1.8%30r 56.6s 57.6s 1.0s 1.7%40r 76.0s 77.4s 1.4s 1.8%50r 95.2s 96.8s 1.6s 1.6%60r 103.8s 105.9s 2

13、.1s 2%表2分析：單擺周期測量值為1.92s,木板旋轉(zhuǎn)周期測量值為1.89s，平板和擺桿同時轉(zhuǎn)動數(shù)周后，時間偏差/擺桿擺動時間最大為2.6%。表3 板水平數(shù)據(jù)測量角度 光斑相對高度 木板中心相對高度 絕對誤差 |（h1-h2）/h2|h1/cm h2/cm60 50.9 50.0 0.9 1.8%48 32.5 33.1 -0.6 1.8%36 19.6 19.1 0.5 2.6%24 8.9 8.6 0.3 3.4%12 2.1 2.2 -0.1 4.5%0 0.0 0.0 0.0 0%12 2.2 2.2 0.0 0% 表4 定點指向次數(shù) 靜態(tài)光斑偏移距離/cm 動態(tài)光斑偏移距離/cm

14、1 1.56 9.452 1.45 12.083 1.43 8.134 1.52 13.745 1.48 12.34平均 1.49 9.69表3分析：在平板上安裝一支激光筆，在一端豎直放置且與單擺運動面垂直的對照板，作木板上一點（非木板軸中心）高度h1測量用。同時利用公式1- cos算出木板中心的理論高度h2。比較h1和h2高度，若相等則保持水平。經(jīng)測量（h1-h2）/h2最大為4.5%。表4分析：因為本實驗采用直流電機，所以抖動范圍較小，可以實現(xiàn)要求。通過脈寬調(diào)制可以控制光斑尋點的速遞和抖動程度，同時在平衡位置時角度變化較大，且支架在控制單擺擺動中稍有形變，亦會對光斑的投射產(chǎn)生影響。此設(shè)計采

15、用角度傳感器進行檢測，結(jié)合430單片機編程，對系統(tǒng)各電路和實際運行的測試，得出上述數(shù)據(jù)。根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結(jié)論：系統(tǒng)精度相對來說比較高，誤差很小，系統(tǒng)各項功能均達到設(shè)計要求；由于增加了LCD顯示當前信息，顯示清晰醒目，靈活性較大。綜上所述，本設(shè)計達到基礎(chǔ)部分設(shè)計要求。六、設(shè)計總結(jié)本文旨在設(shè)計并制作一個基于自由擺的平板控制系統(tǒng)：以MSP430F149單片機為控制核心，采用角度傳感器對單片機的反饋控制，融合數(shù)學(xué)公式的計算，直流電機的轉(zhuǎn)動，AD采樣從而實現(xiàn)相應(yīng)功能。由于系統(tǒng)裝置在運動過程中存在輕微形變，機械設(shè)計存在誤差且直流電機和角度傳感器然存在一定的精度誤差，致使系統(tǒng)在控制平擺轉(zhuǎn)動

16、時存在相應(yīng)偏差，這些不足將會是我們以后一直前進的方向。參考文獻：1 沈建華.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐. 北京航空航天大學(xué)出版社,2008.7.2 彭軍.測量電子電路設(shè)計濾波器篇.科學(xué)出版社,2004.05.3 羅杰.電子線路設(shè)計.電子工業(yè)出版社,2008.4.附：源程序主函數(shù)：#include #include #include #include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#include mcu_init.h#include lcd12864.h#include xifen.cunsigned

17、char x,y; /定義參數(shù)位置 顯示unsigned int x1,y1,z1,y2;int degree;/角度double m;/弧度#include ADC12.h#define Num_of_Results 16 /進行32次測量，算平均值static uint results0Num_of_Results; /A0 P6.0保存ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)組 static uint results1Num_of_Results; /A1 P6.1保存ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)組 static uint results2Num_of_Results; /A2 P6.2保存ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)組 uns

18、igned long int VBufx=0;/電壓擴大1000的值unsigned long int VBufy=0;unsigned long int VBufz=0;/電壓擴大1000的#define delay_us(x)_delay_cycles(long)(CPU_F*(double)x/.0)#define delay_ms(x)_delay_cycles(long)(CPU_F*(double)x/1000.0)struct point int x0; int y0; int d; int sj; double n;p,q;void systemtime() unsigned

19、char i;BCSCTL1&=XT2OFF; /打開XT2振蕩器do IFG1 &= OFIFG; / 清除振蕩器失效標志 for (i=255;i0;i-); / 延時,等待XT2起振while (IFG1 & OFIFG) != 0); / 判斷XT2是否起振BCSCTL2=0x88; void main( void ) Msp430f149_config(); /單片機初始化 WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; systemtime(); P1DIR=0XFF;P1OUT=0XFF; P2DIR=0XFF;P2OUT=0XFF; P3DIR=0XFF;P3OUT=0XF

20、F; P4DIR=0XFF;P4OUT=0XFF; /P5DIR=0XFF;P5OUT=0XFF; /P6DIR = 0XFF;P6OUT = 0XFF; q.x0=8000;/初始化 q.y0=0; q.d=0; q.n=0.0; q.sj=0; Ini_Lcd(); /初始化液晶 LcdWriteString(1,0,角度： ); LcdWriteString(2,0,X: V); LcdWriteString(3,0,Y: V); /LcdWriteString(4,0,Z: V); adc12(); /ADC初始化 /dj_1(300); P1DIR&=BIT3; /P1SEL|=BI

21、T0; /中斷功能 P1IES|=BIT3; /選擇下降沿觸發(fā) P1IE|=BIT3; /打開中斷允許 P1IFG=0; P2DIR&=BIT3; /P1SEL|=BIT0; /中斷功能 P2IES|=BIT3; /選擇下降沿觸發(fā) P2IE|=BIT3; /打開中斷允許 P2IFG=0; _EINT(); while(1); /進入低功耗模式、等待中斷 /* 函數(shù)名稱：ADC12ISR 功 能：ADC中斷服務(wù)函數(shù)，4在這里用多次平均的 計算P6.0口的模擬電壓數(shù)值 參 數(shù)：無 返回值 ：無 */#pragma vector=ADC_VECTOR _interrupt void ADC12ISR

22、 (void) static uint index = 0; results0index = ADC12MEM2; / Move results results1index = ADC12MEM3; results2index = ADC12MEM4; index+; if(index = Num_of_Results) /ADC12IE&=0x10; uchar i; unsigned long sum0= 0; unsigned long sum1= 0; unsigned long sum2= 0; index = 0; for(i = 0; i = 4; /除以16 sum1= 4;

23、sum2= 4; /if(m0)/屬于這個范圍 / /m1=3.-m; /degree1 = (int)(m1 * 180/3.); / x=2;y=4; VBufx=Trans_val(sum0); x=3;y=4; VBufy=Trans_val(sum1); x=4;y=4; VBufz=Trans_val(sum2); VBufx*=100;/計算電壓并擴大10000倍 3.3為內(nèi)部參 VBufy*=100;/計算電壓并擴大10000倍 3.3為內(nèi)部參 VBufz*=100; x1=VBufx-16000; y1=VBufy-17200; /具體數(shù)值現(xiàn)場測量，有變化，角度誤差 40以內(nèi)，誤差0) /左上 if(p.x0q.x0)/左下 k=(100*(1-cos(p.n)/(150+100*sin(p.n); zj=p.d-(int)(atan(k)*180/3.); p.sj=abs(zj-q.sj); dj_0(p.sj); x=4;y=1; Trans_valjiaodu(p.sj); q=p; delay_ms(100); else if(p.x0q.x0)/右下 k=(100*(1-cos(p.n)/(150-100*sin(p.n); zj=p.d+(int)(ata