基于自由擺的平板控制系統(tǒng)

1、基于自由擺的平板控制系統(tǒng)（B題）摘要本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為核心處理芯片，用STC12C5A60S2對(duì)電機(jī)進(jìn)行對(duì)平板正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)的控制。平板旋轉(zhuǎn)的角度由角度傳感器ADXL345完成。角度量通過(guò)IIC總線接口獲得，然后再通過(guò)分析和判斷，再對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制轉(zhuǎn)動(dòng)，使的平板保持平衡，從而使硬幣不掉落平板。此外，還用到顯示頻NOKIA5510顯示傾斜角度，和語(yǔ)音模塊ISD1420。AbstractThe system uses stc12c5a60s2 monolithic integrated circuits, with a central treatment of electric

2、al stc12c5a60s2 the flat is to reverse the control of a flat spin. the angle from the angle sensor adxl345. the angle of the interface by IIC, and then by analysis and assessment, the motor control of a flat, to balance a coin fall, thereby, not flat. in addition, it is also used to show businesses,

3、 and shows lean nokia5510 voice module isd1420.關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 擺動(dòng) 平板 角度傳感器目錄摘要1第一章系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方案論證與比較31.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)31.2方案的設(shè)計(jì)與論證3控制模塊的選擇3電機(jī)的選擇3電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇3第二章理論分析及計(jì)算42.1平板狀態(tài)測(cè)量方法42.2建模與控制方法5第三章電路與程序設(shè)計(jì)53.1硬件電路設(shè)計(jì)5主控電路設(shè)計(jì)5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)6角度傳感器電路設(shè)計(jì)63.2軟件程序設(shè)計(jì)流程7第四章測(cè)試結(jié)果及分析74.1測(cè)試步驟84.2測(cè)試結(jié)果84.3結(jié)果分析8結(jié)束語(yǔ)9附件一完整的電路原理圖10附件二測(cè)試結(jié)果12附錄三重要的源程序13

4、第一章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方案論證與比較1.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)根據(jù)題目給定的條件，我們?cè)O(shè)計(jì)的方案總體上由單片機(jī)系統(tǒng)模塊，電機(jī)控制模塊，語(yǔ)音模塊和傳感器模塊四部分組成。單片機(jī)系統(tǒng)由復(fù)位電路和電源電路組成。傳感器模塊由角度傳感器組成，它將測(cè)量到的角度發(fā)送給單片機(jī)系統(tǒng)分析，從而使單片機(jī)系統(tǒng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。系統(tǒng)框圖如圖B-1。圖B-1 系統(tǒng)框圖1.2方案的設(shè)計(jì)與論證控制模塊的選擇方案一：使用89C51單片機(jī)該單片機(jī)有5個(gè)中斷口，1個(gè)串口，2個(gè)定時(shí)器，缺點(diǎn)是反應(yīng)速度比較慢。方案二：使用STC12C5A60S2單片機(jī)該單片機(jī)由9個(gè)中斷口，有2個(gè)串口，具有獨(dú)立波特率發(fā)生器，內(nèi)部擴(kuò)展RAM，速度是傳統(tǒng)單片機(jī)的12倍。分

5、析兩個(gè)方案，本系統(tǒng)采用第二種方案。電機(jī)的選擇方案一：使用直流電機(jī)直流電機(jī)具有良好的線性調(diào)速特性，簡(jiǎn)單的控制性能，較高的效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性。但是直流電機(jī)位置控制難度大，難以達(dá)到較高的控制精度。方案二：使用步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)，它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移（或線位移）。步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于起停，正反轉(zhuǎn)及變速。在非超載的情況下，它的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累計(jì)誤差等特點(diǎn)，使得它可以達(dá)到很高的控制精度，且控制難度要比直流電機(jī)小得多。分析兩個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用第二種方案。

6、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇方案一：采用步進(jìn)電機(jī)專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)器此方案能為步進(jìn)電機(jī)提供穩(wěn)定的工作電壓和工作電流。但是其價(jià)格十分昂貴，重量較大，而對(duì)于本系統(tǒng)電機(jī)不需要帶大負(fù)載，也對(duì)驅(qū)動(dòng)器沒(méi)有過(guò)高的要求。方案二：采用ULN2003A電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003A可方便驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，且外圍電路簡(jiǎn)單、原件少、重量輕，造價(jià)便宜且方便。但是它只能驅(qū)動(dòng)四相步進(jìn)電機(jī)。如果用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的話(huà)只能按一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，換向要改變電機(jī)的接法。方案三：采用專(zhuān)用集成電路芯片L298用集成電路芯片L298驅(qū)動(dòng)電機(jī)，它電子開(kāi)關(guān)的速度快，穩(wěn)定性強(qiáng)，且它的外圍器件成本低，使整機(jī)可靠性提高。適合驅(qū)動(dòng)二相或四相的步進(jìn)電機(jī)。該芯片有兩個(gè)TTL/CMOS 兼

7、容電平的輸入，配合PWM技術(shù)，具有良好的抗干擾性能。分析三個(gè)方案，我們選用第三方案。第二章 理論分析及計(jì)算2.1平板狀態(tài)測(cè)量方法該平板狀態(tài)測(cè)量要求較高的分辨率，所以我們使用的是雙軸傾斜測(cè)量。測(cè)量方法如圖B-2。圖B-2雙軸傾斜測(cè)量的首要優(yōu)勢(shì)來(lái)是兩軸的垂直關(guān)系。隨著某個(gè)軸的增量靈敏度的降低，另一軸的增量靈敏度會(huì)增加。如圖B-3。圖B-3雙軸傾斜測(cè)量第二優(yōu)勢(shì)是對(duì)重心面對(duì)齊度的依賴(lài)性降低，因?yàn)橛行г隽快`敏度與目標(biāo)軸重力的和平方根值具有比例關(guān)系。雙軸傾斜測(cè)量第三優(yōu)勢(shì)是全角度360°檢測(cè)，如圖B-4。圖B-42.2建模與控制方法 擺桿上和平板上一共兩個(gè)角度傳感器，將擺桿上的角度傳感器測(cè)出擺桿的

8、角度設(shè)為x，平板上的角度傳感器測(cè)出的平板角度設(shè)為y。如圖B-5。再由幾何圖形的角度運(yùn)算得出以下關(guān)系： 當(dāng)擺桿在中心右側(cè)時(shí)為當(dāng)擺桿在中心左側(cè)時(shí)為第三章 電路與程序設(shè)計(jì)3.1硬件電路設(shè)計(jì)主控電路設(shè)計(jì)主控電路設(shè)計(jì)如圖B-6所示，系統(tǒng)中采用一片STC12C5A60S2作為主控制芯片。圖B-6主控電路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，如圖B-7所示。圖B-7 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路角度傳感器電路設(shè)計(jì)角度傳感器電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，如圖B-8所示。圖B-8 角度傳感器電路3.2軟件程序設(shè)計(jì)流程軟件流程圖如圖B-9顯示。圖B-9 軟件流程圖第四章 測(cè)試結(jié)果及分析測(cè)試儀器有：直尺，量角器和秒表。4.1測(cè)試步

9、驟1）我們用秒表計(jì)算擺桿擺動(dòng)周期。2）用量角器量出擺桿的起始擺動(dòng)角度，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。3）用直尺測(cè)量激光筆照射靶子上的光斑離靶子上中心線的距離，并記錄下來(lái)。4.2測(cè)試結(jié)果根據(jù)題目要求，我們做了一下測(cè)試，并記錄一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如表B-1。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)次數(shù)1實(shí)驗(yàn)次數(shù)2實(shí)驗(yàn)次數(shù)3擺桿擺動(dòng)一周期，平板轉(zhuǎn)動(dòng)一周平板轉(zhuǎn)動(dòng)誤差10°0°0°在平板上放上一枚硬幣，擺動(dòng)時(shí)滑落平板中心的距離滑落平板中心距離當(dāng)擺桿為30°當(dāng)擺桿為35°當(dāng)擺桿為45°2cm4cm5cm擺桿擺定角度，在平板上放8枚硬幣，擺動(dòng)時(shí)滑落硬幣數(shù)硬幣掉落數(shù)當(dāng)擺桿為45°當(dāng)擺桿為

10、55°當(dāng)擺桿為60°306450擺桿擺定角度，在一定時(shí)間內(nèi)，激光筆的光斑照到靶子上離中心線的距離靶子上光斑離中心線的距離當(dāng)擺桿為30°當(dāng)擺桿為45°當(dāng)擺桿為60°0cm2cm1cm表B-14.3結(jié)果分析經(jīng)過(guò)本次試驗(yàn)結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)性能的因素除電路設(shè)計(jì)外，主要還有還有以下幾點(diǎn)：1）角度傳感器的安裝位置，對(duì)其檢測(cè)效果的影響很大。2）控制算法，PID參數(shù)直接決定系統(tǒng)是否穩(wěn)定，影響系統(tǒng)的控制精度。結(jié) 束 語(yǔ)經(jīng)過(guò)這些天的比賽，我們?cè)谟布吓c軟件上實(shí)現(xiàn)了題目的各項(xiàng)要求。在硬件上我們應(yīng)用到傳感器的調(diào)制技術(shù)，用PWM技術(shù)的使用則解決了電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的效率問(wèn)題

11、。還添加了語(yǔ)音和顯示屏，使硬件更加生動(dòng)。在軟件上，我們靈活使用單片機(jī)STC12C5A60S2，使它完成了步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和傳感器的使用。很好的完成題目的各項(xiàng)要求。附件一完整的電路原理圖電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路單片機(jī)最小系 統(tǒng)角度傳感器語(yǔ)音模塊顯示模塊附件二測(cè)試結(jié)果1、擺桿擺動(dòng)一周期，平板轉(zhuǎn)動(dòng)一周，記錄平板轉(zhuǎn)動(dòng)誤差。次數(shù)平板實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度誤差1 360° 10°2 360°03 360°02、在平板上放上一枚硬幣，擺動(dòng)時(shí)滑落平板中心的距離。次數(shù)擺桿擺定的起始角度滑落平板中心距離1 30°2cm2 35°4cm3 40°4cm4 45°

12、; 5cm3、擺桿擺定角度，在平板上放8枚硬幣，擺動(dòng)時(shí)滑落硬幣數(shù)。次數(shù)擺桿擺定的起始角度掉落的硬幣數(shù)145°3245°0345°0455°6555°4655° 0760° 5860° 5960° 04、擺桿擺定角度，在一定時(shí)間內(nèi)，激光筆的光斑照到靶子上離中心線的距離。次數(shù)擺桿擺定的角度光斑偏離中心線的距離130°0cm235°1cm340°0cm445°2cm550°1cm655°1cm760°1cm附錄三 重要的源程序void mai

13、n(void)unsigned char coin_flag=0;unsigned char LCD_contrast = 0xbe;/此值對(duì)比度合適unsigned char read_angle_flag=0;key1=1;key2=1;key3=1;key4=1;P4SW=0x70;/*0bx111xxxx,將P4.4、P4.5、P4.6設(shè)置為I/O腳*/P4M1=0x00;/*0b00000000,設(shè)置P4.4、P4.5、P4.6為準(zhǔn)雙向口*/P4M0=0x00;/*0b00000000*/Init_ADXL345(); /初始化ADXL345 LCD5510_Init();LCD_c

14、lr_scr();/清屏delayms(200);LCD_showsh(0, 0, "傾角");LCD_prints8x16(4,0,":");start_sys(); /啟動(dòng)系統(tǒng) 。語(yǔ)音while(1) /循環(huán) if(key1=0)/修正到水平 correct_angle(88);key1=1;elseif(key2=0) /轉(zhuǎn)360° key2=1;while(ir_key1=1);/先拉桿 紅外為高時(shí)，等待turn_360();/3周turn_360();turn_360();if(key3=0) /硬幣30unsigned char i

15、;key3=1; while(ir_key1=1);/先拉起紅外為高時(shí)，等待 for(i=0;i<6;i+) /先拉桿 置紅外對(duì)管，再開(kāi)啟開(kāi)關(guān)，高 變 低 fan_zhou();if(key4=0) /硬幣60unsigned char i;key4=1; while(ir_key2=1);/先拉起紅外為高時(shí)，等待 for(i=0;i<7;i+) /先拉桿 置紅外對(duì)管，再開(kāi)啟開(kāi)關(guān)高 變 低 fan_zhou();if(key5=0|k4=1)/靜態(tài)激光key5=1;k4=1;ET0=1;if(key5=0) read_angle_flag=1;read_angle(); /讀取角度

16、。語(yǔ)音ledok=1;static_light(); LCD_printn8x16(5, 0, turn_y, 3);if(flag=1&&key4=0) correct_light();/校準(zhǔn)激光。語(yǔ)音switch(turn_y)case 30:zhengzhuanquan(49);ledok=0;light_complete();break;case 35:zhengzhuanquan(57);ledok=0;light_complete();break;case 40:zhengzhuanquan(68);ledok=0;light_complete();break;ca

17、se 45:zhengzhuanquan(82);ledok=0;light_complete();break;case 50:zhengzhuanquan(96);ledok=0;light_complete();break;case 55:zhengzhuanquan(108);ledok=0;light_complete();break;case 60:zhengzhuanquan(119);ledok=0;light_complete();break;if(flag=2&&key4=0) /zuoswitch(turn_y)case 30:fanzhuanquan(52);ledok=0;light_complete();break;case 35:fanzhuanquan(53);ledok=0;light_complete();break;case 40:fanzhuanquan(64);ledok=0;light_complete();break