XX年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽-基于自由擺的平板控制系統(tǒng)（B題）

1、 2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽基于自由擺的平板控制系統(tǒng)（B題）【本科組】編 號(hào) B甲 01204題 目 基于自由擺的平板控制系統(tǒng)（B題）學(xué) 校 山東交通學(xué)院系 部 信息工程系 專 業(yè) 電信 電信 自動(dòng)化 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2011.9.3 TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc30998 摘要 PAGEREF _Toc30998 3 HYPERLINK l _Toc10863 1.1 課題分析 PAGEREF _Toc10863 5 HYPERLINK l _Toc27619 1.2 本論文概述 PAGEREF _Toc27619 5 HYPERLINK l _To

2、c3527 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc3527 5 HYPERLINK l _Toc20405 2.1 自由擺控制系統(tǒng)的原理與組成 PAGEREF _Toc20405 5 HYPERLINK l _Toc11061 PAGEREF _Toc11061 5 HYPERLINK l _Toc17736 2.2.1 控制器的論證與選擇 PAGEREF _Toc17736 5 HYPERLINK l _Toc4 5 HYPERLINK l _Toc18660 PAGEREF _Toc18660 6 HYPERLINK l _Toc1850 2.2.4 控制驅(qū)動(dòng)的論證與選擇 PA

3、GEREF _Toc1850 6 HYPERLINK l _Toc13511 2.2.5 人機(jī)交互的論證與方案 PAGEREF _Toc13511 6 HYPERLINK l _Toc6183 PAGEREF _Toc6183 6 HYPERLINK l _Toc30946 第三章 測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc30946 6 HYPERLINK l _Toc2384 PAGEREF _Toc2384 6 HYPERLINK l _Toc1690 PAGEREF _Toc1690 6 HYPERLINK l _Toc28594 3.3 角度傳感器：MMA7260QT PAGERE

4、F _Toc28594 7 HYPERLINK l _Toc2936 3.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)：L298N PAGEREF _Toc2936 7 HYPERLINK l _Toc1319 PAGEREF _Toc1319 7 HYPERLINK l _Toc31359 PAGEREF _Toc31359 8 HYPERLINK l _Toc22264 第五章 測(cè)試及結(jié)論 PAGEREF _Toc22264 10 HYPERLINK l _Toc27350 PAGEREF _Toc27350 10 HYPERLINK l _Toc23853 PAGEREF _Toc23853 10 HYPERLINK l

5、 _Toc20776 PAGEREF _Toc20776 10 HYPERLINK l _Toc13219 5.3.1 不放硬幣時(shí)的測(cè)量方法 PAGEREF _Toc13219 10 HYPERLINK l _Toc12958 5.3.2 放硬幣時(shí)的測(cè)量方法 PAGEREF _Toc12958 10 HYPERLINK l _Toc23902 5.4 帶激光燈時(shí)的角度控制 PAGEREF _Toc23902 10 HYPERLINK l _Toc21815 PAGEREF _Toc21815 11 HYPERLINK l _Toc30670 PAGEREF _Toc30670 11 HYPER

6、LINK l _Toc23124 PAGEREF _Toc23124 11 HYPERLINK l _Toc22999 PAGEREF _Toc22999 12 HYPERLINK l _Toc5181 擺桿固定時(shí)的測(cè)試 PAGEREF _Toc5181 12 HYPERLINK l _Toc28591 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc28591 13 HYPERLINK l _Toc8870 附件1 原理圖 PAGEREF _Toc8870 13 HYPERLINK l _Toc7629 附件2 主要程序 PAGEREF _Toc7629 14摘要 本系統(tǒng)是以C8051F040為控制芯片控

7、制步進(jìn)電機(jī)，從而調(diào)節(jié)木板平衡的閉環(huán)平板控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是主要由擺架框架、數(shù)據(jù)采集部分、主控板、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)四大部分組成。系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)都采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想。硬件方面詳細(xì)介紹了傳感器電路、信號(hào)調(diào)試電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及系統(tǒng)擴(kuò)展所需的其它一些外圍電路的設(shè)計(jì)，軟件方面以硬件電路為基礎(chǔ)分別進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)。為使測(cè)控系統(tǒng)控制更精確在數(shù)據(jù)采集的過程中采用了非線性誤差校正以及數(shù)字濾波等數(shù)據(jù)處理方法。同時(shí)設(shè)計(jì)中考慮到可能存在的各種干擾因素,采用了軟硬件結(jié)合的抗干擾技術(shù)提高平板控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。關(guān)鍵字：C8051F040 閉環(huán) 平板控制系統(tǒng) 模塊化 ABSTRACT This system is based

8、on C8051F040 for control chip control stepping motor, which regulates board balanced closed-loop control system. The system is mainly by the pendulum frame frame, the data acquisition part, main control board, driving system composed of four. The design of the software and hardware system using modu

9、lar design thought. Hardware introduced in detail the sensor circuit, signal regulate circuit, motor drive circuit and system extension required some of the other peripheral circuit design of software, hardware circuit as the foundation, the modular design. To make the measurement and control system

10、 control more accurate in the process of collecting data using nonlinear error correction and digital filtering method of data processing. At the same time to consider the design to the possible interference factors, using a combination of hardware and software anti-interference technology improve t

11、he stability of the Flat control system. Key word: C8051F040 closed-loop control system Flat control system modularization第一章 緒論 1.1 課題分析 基于自由擺的平板控制系統(tǒng)應(yīng)用的原理是現(xiàn)代檢測(cè)與控制技術(shù)。它是現(xiàn)代自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用的典型產(chǎn)物,是一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)。1.2 本論文概述 該控制系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)自動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)。本文完成以下幾方面工作： 1） 確定系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)主要包括兩部分，一是被控部分，主要是系統(tǒng)物理組成形成形式，包括擺架構(gòu)成、傳感器與電機(jī)的安裝；二是控制

12、部分，主要是用于控制被控制對(duì)象的微處理器類型及其軟件的控制規(guī)律。 2） 選擇合適的處理器設(shè)計(jì)主控板，完成傳感器、信號(hào)調(diào)試、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等建測(cè)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。 3） 根據(jù)實(shí)際硬件平臺(tái)進(jìn)行算法和軟件編寫，實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊。 4） 對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，進(jìn)行誤差分析，提高測(cè)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。 5） 針對(duì)已做工作進(jìn)行總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.1 自由擺控制系統(tǒng)的原理與組成自由擺控制系統(tǒng)的原理與組成自由擺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示，是由數(shù)據(jù)采集模塊、控制驅(qū)動(dòng)模塊、伺服機(jī)構(gòu)和自由擺本體等幾大部分構(gòu)成的一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。在系統(tǒng)中可通過傾角傳感器的反饋獲得自由擺末端被控對(duì)象的位移

13、，控制驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)時(shí)讀取傳感器反饋的數(shù)據(jù)，確定控制決策（電機(jī)應(yīng)該向哪個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、加速度等），同時(shí)控制模塊通過處理器內(nèi)部的控制算法實(shí)現(xiàn)該控動(dòng)狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)C8051F040單片機(jī)控制器 人機(jī)互動(dòng)加速度傳感器A/D轉(zhuǎn)換 本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、控制驅(qū)動(dòng)模塊、伺服機(jī)構(gòu)和自由擺本體電源模塊組成。下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。 控制器的論證與選擇方案選定：51 系列單片機(jī)的應(yīng)用比較廣泛，各種技術(shù)都比較成熟。所以我們選定C8051F040單片機(jī)。它是集成在一塊芯片上的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)，在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制的智能節(jié)點(diǎn)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件

14、，完全能夠完成這次設(shè)計(jì)的要求我們。傳感器器件的論證與選擇現(xiàn)有的角度傳感器種類很多，如電介液式、電位器式、電容式、電感式及陀螺地平儀等復(fù)合式傾角傳感器，考慮到是檢測(cè)重物作用下的平板微動(dòng)方向，要求傳感器有較好的靈敏度及響應(yīng)速度，同時(shí)要使傳感器安裝方便，選用角度傳感器MMA7260QT，它根據(jù)物件運(yùn)動(dòng)和方向改變輸出信號(hào)的電壓值，直接將其放在用單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器讀取此輸出信號(hào)，就可以檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)和方向。我們可以將它直接接在平板上就可以檢測(cè)出平面的傾角。執(zhí)行元件的論證與選擇執(zhí)行元件選擇步進(jìn)電機(jī)，使用步進(jìn)電機(jī)的原因包括操作簡單，由于可接受數(shù)字脈沖輸入而變得易于與其他設(shè)備接口，優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)運(yùn)行過程中

15、精度沒有累計(jì)誤差等。本次設(shè)計(jì)采用的步進(jìn)電機(jī)是四相勵(lì)磁式步進(jìn)電機(jī)42BYGH02。 控制驅(qū)動(dòng)的論證與選擇控制驅(qū)動(dòng)模塊是平衡控制系統(tǒng)的核心是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它接收加速度傳感器反饋的電壓數(shù)據(jù)，進(jìn)而根據(jù)給定的控制算法計(jì)算出控制量，輸出后控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而維持系統(tǒng)的平衡。同時(shí)控制驅(qū)動(dòng)模塊需監(jiān)控電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，通過軟件實(shí)現(xiàn)最佳位置控制及超速保護(hù)等?？刂乞?qū)動(dòng)模塊包括數(shù)據(jù)處理芯片、內(nèi)存、通信總線、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。 人機(jī)交互的論證與方案 人機(jī)交互模塊是使用鍵盤控制進(jìn)行模式切換，經(jīng)過討論，我們選擇現(xiàn)有的無線模塊轉(zhuǎn)換工作方式，原因：可以遠(yuǎn)距離調(diào)控，方便快捷的實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換。 綜上所述：基于自由擺的木板控制系統(tǒng)的

16、設(shè)計(jì)方案是以C8051F040作為控制芯片，通過控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)節(jié)6cm10cm木板的穩(wěn)定，為了使該系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，我們把它設(shè)定為一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，應(yīng)角度傳感器MMA7260QT檢測(cè)木板所在位置的角度，從而把信息反饋給控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證木板的水平。從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。模塊器件清單 人機(jī)互換模塊：SC2272; 控制模塊：C8051F040單片機(jī)； 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：L298; 檢測(cè)模塊：角度傳感器MMA7260QT； 第三章 測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 本章節(jié)重點(diǎn)講述整個(gè)檢測(cè)與控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框架及細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件采用模塊化結(jié)構(gòu)便于升級(jí)和維護(hù)。 擺架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)擺架系統(tǒng)包括擺架座、擺桿、軸

17、承及彈性元件等起支撐平板工作臺(tái)的作用。選擇的材料要保證擺架有足夠的剛度同時(shí)為保證控制方便，有較高的靈敏度，要求擺桿重量適當(dāng)。 為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我們選擇220V經(jīng)過7805的電壓變換后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。 圖2 電源設(shè)計(jì)電路 3.3 角度傳感器：MMA7260QTMMA7260QT低成本微型電容式加速度傳感器,采用了信號(hào)調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補(bǔ)償技術(shù)，并且提供4個(gè)量程可選，用戶可在4個(gè)靈敏度中的選擇。該器件帶有低通濾波并已做零g補(bǔ)償。本產(chǎn)品還提供休眠模式，因而是電池充電的手持設(shè)備產(chǎn)品的理想之選。 鑒于以上特點(diǎn)，我們選用了MMA7260QT3.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)：L298N L298N是

18、意法半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。其引腳排列如圖3-5所示，1腳和 15腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號(hào)。L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個(gè)電動(dòng)機(jī)。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA，ENB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)芯片引腳電路圖： 圖3 邏輯電路 圖4 管腳標(biāo)注第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 圖5 程序總的設(shè)計(jì)框圖模塊一流程圖 圖6 自由擺動(dòng)設(shè)計(jì)流程圖模塊二流程

19、圖 圖7 放硬幣的自由擺程序模塊三的流程圖 圖8 調(diào)節(jié)程序流程圖第五章 測(cè)試及結(jié)論自由擺的示意圖如圖9所示： 擺桿豎直位置 擺桿起始位置90 平板 圖9 定點(diǎn)測(cè)試主要是觀察步進(jìn)電機(jī)的反應(yīng)快慢。用手推動(dòng)擺桿擺起一個(gè)角度，利用傾角傳感器提供的當(dāng)前平板與水平位置的角度，處理器計(jì)算出恢復(fù)平衡位置所需的脈沖個(gè)數(shù)并發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)收到信號(hào)后帶動(dòng)平板向反向方向轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)平衡位置時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。反復(fù)調(diào)整脈沖的頻率，確定使步進(jìn)電機(jī)能迅速反應(yīng)且穩(wěn)定工作的頻率，使擺桿在穩(wěn)定后的幾秒內(nèi)，平板處于水平狀態(tài)。 從零度開始，在兩秒鐘內(nèi)緩慢平穩(wěn)地將擺桿推至三十度出，在此工程中平板保持水平狀態(tài)。將擺桿緩慢推至一定角度在(456

20、0)處，待平板達(dá)到水平后釋放，讓擺桿做自由阻尼擺動(dòng)直至靜止，在擺動(dòng)過程中使平板保持水平狀態(tài)。測(cè)試表明，平臺(tái)在跟蹤速度要求范圍響應(yīng)迅速。 不放硬幣時(shí)的測(cè)量方法 如圖5-1所示，假設(shè)擺桿的初始角度為，則當(dāng)平板由初始位置轉(zhuǎn)到豎直位置時(shí)對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)90。在執(zhí)行程序時(shí)，時(shí)刻對(duì)傳感器的輸出電壓做AD轉(zhuǎn)換，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成擺桿的角度，將兩次測(cè)量的角度結(jié)果相減，從而求出步進(jìn)電機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。公式為=90*|12|，其中為步進(jìn)電機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度， 1、2分別為兩次測(cè)量的擺桿與水平面的夾角。 放硬幣時(shí)的測(cè)量方法 經(jīng)測(cè)試，當(dāng)平板與擺桿垂直時(shí)，擺桿擺動(dòng)時(shí)硬幣不會(huì)滑落。于是我們討論后決定以下方案：放下擺桿后，在很短的時(shí)間內(nèi)使擺桿與平板垂直，此后步進(jìn)電機(jī)不再轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖5-1，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)公式為：step=/0.225。 綜述結(jié)果：我們?cè)O(shè)計(jì)的基于自由擺的平板控制系統(tǒng)初步完成設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性有待提高。5.4 帶激光燈時(shí)的角度控制 圖10 圖11 當(dāng)擺桿向左傾斜時(shí)，如圖10所示。步進(jìn)電機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度.當(dāng)擺桿向右傾斜時(shí)