基于自由擺的平板控制系統(tǒng)設計

1、    基于自由擺的平板控制系統(tǒng)設計    趙賀 孫鳳茹摘要：基于自由擺的平板控制系統(tǒng)主要由擺架框架、數(shù)據(jù)采集部分、主控板和驅(qū)動系統(tǒng)四大部分組成。擺架框架主要由固定支架、擺桿和平板構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集使用了高精度低量程的加速度傳感器mma7361l；主控板以atmel公司8位單片機at89s52為控制核心；驅(qū)動系統(tǒng)采用了wwx系列的步進電機。自由擺的運動為連續(xù)的控制過程，控制規(guī)律采用了基于拉格朗日方程的平板狀態(tài)反饋控制算法。系統(tǒng)經(jīng)測試表明，控制精度高，穩(wěn)定性好。關(guān)鍵詞：平板控制系統(tǒng)；加速度傳感器；步進電機；反饋控制算法：tn86 ：a：一、系統(tǒng)整體方案自由擺平

2、板控制系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集模塊、控制驅(qū)動模塊、電機驅(qū)動模塊和自由擺本體等幾大部分構(gòu)成的一個閉環(huán)系統(tǒng)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。在系統(tǒng)中，通過加速度傳感器的反饋獲得自由擺平板的位移，控制驅(qū)動模塊實時讀取傳感器反饋的數(shù)據(jù)，確定控制決策，同時控制模塊通過處理器內(nèi)部的控制算法實現(xiàn)該控制決策，產(chǎn)生相應的控制量，使電機轉(zhuǎn)動，從而帶動平板轉(zhuǎn)動，達到平板的平衡狀態(tài)。圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖二、硬件電路設計1數(shù)據(jù)采集電路數(shù)據(jù)采集部分可以實現(xiàn)平板角度的檢測。該電路由傳感器電路、信號調(diào)理電路和a/d轉(zhuǎn)換電路三部分組成。傳感器選用mma7361l型加速度傳感器，它是一種低功耗、小型電容式微機械加速度傳感器，具有信號調(diào)理、一階低

3、通濾波器、溫度補償、自檢、帶有線性自由落體檢測的零重力檢測，以及可以選擇兩種靈敏度的重力選擇功能。它可根據(jù)物件運動和方向改變輸出信號的電壓值。各軸的信號在不運動或不被重力作用的狀態(tài)下，其輸出電壓為1.65v。如果沿著某一方向活動或受到重力作用，輸出電壓就會根據(jù)其運動方向以及設定的傳感器靈敏度而改變輸出電壓。為了提高傳感器的抗干擾能力，在傳感器的電源輸入引腳vdd附近設置了一個100nf的濾波電容，并以低阻抗連接到地。輸出信號vout也通過一個小電容（10nf）接地保護。并將傳感器電路的輸出送入信號調(diào)理電路。信號調(diào)理電路如圖2所示，由圖2可見該電路是由lm324構(gòu)成的電壓跟隨器和同向比例放大器級

4、聯(lián)構(gòu)成，可實現(xiàn)將輸入電壓信號放大2倍左右。圖2信號調(diào)理電路2.主控電路主要負責接收adc轉(zhuǎn)換后的角度信息，由單片機進行處理進而控制電機工作，是整個系統(tǒng)的核心。主控電路主要由單片機及顯示等外圍電路組成。硬件電路簡單，主要工作量集中在軟件的編程上。主控電路的構(gòu)成如圖3所示。圖3 主控電路構(gòu)成圖三、軟件設計1軟件整體功能軟件實現(xiàn)的主要功能為：控制數(shù)據(jù)采集模塊獲得電壓數(shù)據(jù)，對采樣數(shù)據(jù)進行處理，獲得處理器可接受的電信號值，對步進電機進行控制，實現(xiàn)系統(tǒng)響應時間到時給予led指示。2系統(tǒng)主程序流程系統(tǒng)主程序分系統(tǒng)初始化模塊和控制算法模塊。為使后面的設置不受中斷的影響，系統(tǒng)首先屏蔽全部可屏蔽中斷，接著對系統(tǒng)進行初始化。初始模塊只在系統(tǒng)上電或復位時執(zhí)行一次。主程序流程圖如圖7所示。圖7 系統(tǒng)主程序流程圖 圖8 控制程序流程圖結(jié)語經(jīng)實際測試，所設計的系統(tǒng)在自由擺運動的過程中，擺幅最大可達60度，運動同時可保持平板上放置的8枚硬幣不從平板上掉下。該系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，控制算法簡單，控制精度高，在控制平板運動中取得了較為滿意的控制效果。參考文獻：1羅亞非. 凌陽16位單片機應用基礎m. 北京：北京航空航天大學出版社，2003.122童詩白. 模擬電子技術(shù)基礎 (第三版)m.北京：高等教育出版社，2