畢業(yè)設(shè)計(論文)：基于自由擺的平板控制系統(tǒng)

PAGE基于自由擺的平板控制系統(tǒng)（B題）摘要本平板控制系統(tǒng)是基于PIC16F877A單片機為主控芯片，將精確電位器與自由擺頂端相連，利用角度和電阻值的一一對應(yīng)關(guān)系，通過單片機采集精確電位器兩端電壓的變化，轉(zhuǎn)換為角度數(shù)在LCD液晶屏上顯示，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后得出步進電機所需要的脈沖數(shù)，來控制步進電機的轉(zhuǎn)動,單片機對采集到的電壓進行PID控制算法,再通過改變PWM的占空比達到精確控制電機轉(zhuǎn)速的目的。本自由擺的平板控制系統(tǒng)的靜態(tài)誤差≤5°，采用精確電位器來感應(yīng)擺角的變化這一設(shè)計思路也更加簡易、準(zhǔn)確，是本系統(tǒng)的亮點。關(guān)鍵字PIC16F877A目錄1系統(tǒng)方案的比較與選擇 31.1控制器的選擇 31.2算法的選擇 31.3傳感器的選擇 31.3機械系統(tǒng)的選擇 32系統(tǒng)理論分析與計算 42.1系統(tǒng)總原理框圖 4系統(tǒng)理論分析與設(shè)計 52.2.1系統(tǒng)設(shè)計的總體思路 5分析運算過程 53電路與程序設(shè)計 6硬件電路的設(shè)計 6PIC16F877A最小系統(tǒng)的組成 63.1.2步進電機驅(qū)動電路的組成 8程序的設(shè)計 8程序功能描述與設(shè)計思路 8程序流程圖 94測試方案與測試結(jié)果 10測試方案 104.2測試條件與儀器 114.3測試結(jié)果及分析 11測試結(jié)果(數(shù)據(jù)) 11測試分析與結(jié)論 114.4測試基本要求（發(fā)揮） 124.5測試原理圖（發(fā)揮） 124.6測試結(jié)論及分析（發(fā)揮） 125結(jié)束語 13附錄1：電路原理圖 14附錄1：源程序 14附錄2：參考文獻 171系統(tǒng)方案的比較與選擇1.1控制器的選擇方案一、采用最簡單的51單片機采集電壓數(shù)據(jù)。利用51單片機的優(yōu)點是價格便宜，使用比較方便，缺點是接口少，使用時需擴展，外圍電路比較多，運算處理速度不高，功耗高。方案二、利用PIC16F877A綜合比較以上兩個方案，本系統(tǒng)選擇方案二。1.2算法的選擇 方案一、采用模糊控制算法,模糊控制有許多良好的特性,它不需要事先知道對象的數(shù)學(xué)模型,具有系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)小、過渡過程時間短等優(yōu)點，但編程復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理量大。方案二、采用PID算法，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系,進行運算,將其運算結(jié)果用以輸出控制。優(yōu)點是控制精度高,且算法簡單明了。對于本系統(tǒng)的控制已足夠精確，節(jié)約了單片機的資源和運算時間。綜合比較以上兩個方案，本系統(tǒng)選擇方案二。 方案一、利用角度傳感器測量自由擺的角度，例如mma7455或者mma7361。角度傳感器往一個方向轉(zhuǎn)動時，計數(shù)增加，轉(zhuǎn)動方向改變時，計數(shù)減少。但是角度傳感器的應(yīng)用電路復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理繁瑣，編程復(fù)雜，而且成本較高。 方案二、利用精確電位器與自由擺頂端相連，利用角度和電阻值的一一對應(yīng)關(guān)系，通過單片機采集精確電位器兩端電壓的變化，來控制步進電機的轉(zhuǎn)動。精確電位器的成本較低，應(yīng)用電路簡單，編程簡便，且控制精度和線性度滿足系統(tǒng)的要求。綜合比較以上兩個方案，本系統(tǒng)選擇方案二。1.4機械系統(tǒng)的選擇：方案一：使用直流電機。特點是驅(qū)動簡單而且工作穩(wěn)定，但無法精確控制電機轉(zhuǎn)數(shù)，即無法讓平板精確定位。方案二：選用步進電機。相比直流電機的工作方式，步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（步進角）。這樣我就可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的。但步進電機驅(qū)動方式較復(fù)雜，而且對脈沖的連貫性和準(zhǔn)確性要求很高，多個脈沖輸入端，要按一定的順序依次輸入正確的電平。一旦順序錯誤或者輸入電平不正確，會導(dǎo)致電機失步后，完全不能工作。對應(yīng)本題的要求，精確定位無疑是必要的，而且機電結(jié)構(gòu)相對簡單。綜合比較以上兩個方案，本系統(tǒng)選擇方案二。2系統(tǒng)理論分析與計算本平板控制系統(tǒng)是基于PIC16F877A擺桿角度單片機PIC擺桿角度單片機PIC16F精確電位器兩端電壓值精確電位器兩端電壓值步進電機驅(qū)動電路步進電機驅(qū)動電路步進電機步進電機系統(tǒng)設(shè)計的總體思路首先，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法，以支點為參考點，建立方程，推導(dǎo)出自由擺傾斜角與精確電位器兩端電壓的線性關(guān)系。通過單擺的擺動使角度變化，采集精確電位器兩端電壓的變化，通過AD轉(zhuǎn)換獲得所需要的電壓變化數(shù)字量，再由程序計算得到角度變化的數(shù)字量，由于自由擺傾斜角與平臺轉(zhuǎn)角的角度相同能保持平板上的硬幣不掉下來，然后根據(jù)步進電機的步進角度換算成步進電機所需要步數(shù)，再推導(dǎo)出自由擺傾斜角與步進電機所需的脈沖數(shù)的關(guān)系，從而建立起自由擺傾斜角與電機步數(shù)之間一一對應(yīng)的關(guān)系，實現(xiàn)控制的需要。分析運算過程如圖，自由擺呈豎直狀態(tài)時，精確電位器兩端加上5v的電壓，電阻值設(shè)定在500Ω左右（精確電位器總電阻為1000Ω），將自由擺拉開一定的角度，測量對應(yīng)時刻的精確電位器的阻值以及此刻兩端的電壓值，再計算出此刻步進電機的轉(zhuǎn)角及步數(shù)值。測量結(jié)果如下：次數(shù)物理量123456789θ(°)0-50-40-30-20-10102030R（Ω）548365391423450500591630651U（V）1．98次數(shù)物理量1011θ(°)4050R（Ω）679720U（V）使用MATLAB制表：由圖可得，精確電位器兩端電壓隨角度變化基本成線性關(guān)系，關(guān)系式為：U（V）θ3電路與程序設(shè)計硬件電路的設(shè)計3.1.1PIC16F877A單片機最小系統(tǒng)就是單片機正常工作所需的最基本外圍器件組成的系統(tǒng)，由于單片機內(nèi)部含有RAM和ROM及A/D轉(zhuǎn)換模塊，因此單片機最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，這一系統(tǒng)一般由電源、時鐘、復(fù)位、顯示、鍵盤、電平匹配等電路組成。在我們的設(shè)計中，我們選擇了PIC16F877A作為核心控制的單片機。通過PIC16F單片機最小系統(tǒng)原理圖：電源部分顯示部分最小系統(tǒng)板步進電機驅(qū)動電路的組成單片機采集到精確電位器兩端的電阻后，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，通過I/O口輸出的具有時序的方波作為步進電機的控制信號，信號經(jīng)過芯片TA8435驅(qū)動步進電機，驅(qū)動電路如下圖：程序功能描述與設(shè)計思路1、程序功能描述本系統(tǒng)控制程序主要功能是：利用角度和電阻值的一一對應(yīng)關(guān)系，通過單擺的擺動使角度變化，采集精確電位器兩端電壓的變化，通過AD轉(zhuǎn)換獲得所需要的電壓變化數(shù)字量，再由程序計算得到角度變化的數(shù)字量，然后根據(jù)步進電機的步進角度換算成步進電機所需要步數(shù)，單片機進行算法控制,再通過改變PWM的的脈沖數(shù)，達到精確控制電機同軸的平板轉(zhuǎn)過的角度。2、程序設(shè)計思路由于單片機采集到的是電壓的模擬量，而自由擺旋轉(zhuǎn)的角度和精確電位器兩端的電壓成線性關(guān)系。因此，必須通過單片機端口采樣電壓，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，為數(shù)字量，再根據(jù)電壓量與角度的一一對應(yīng)關(guān)系，計算出該給步進電機多少脈沖，實現(xiàn)對電機的控制。程序流程圖 4測試方案與測試結(jié)果基本要求部分：4.1測試方案 1、測試基本要求 （1）控制電機使平板可以隨著擺桿的擺動而旋轉(zhuǎn)（3~5周），擺桿擺一個周期，平板旋轉(zhuǎn)一周（360o），偏差絕對值不大于45°。（2）在平板上粘貼一張畫有一組間距為1cm平行線的打印紙。用手推動擺桿至一個角度θ（θ在30o～45o間），調(diào)整平板角度，在平板中心穩(wěn)定放置一枚1元硬幣（人民幣）；啟動后放開擺桿讓其自由擺動。在擺桿擺動過程中，要求控制平板狀態(tài)，使硬幣在5個擺動周期中不從平板上滑落，并盡量少滑離平板的中心位置。（3）用手推動擺桿至一個角度θ（θ在45o～60o間），調(diào)整平板角度，在平板中心穩(wěn)定疊放8枚1元硬幣，見圖2；啟動后放開擺桿讓其自由擺動。在擺桿擺動過程中，要求控制平板狀態(tài)使硬幣在擺桿的5個擺動周期中不從平板上滑落，并保持疊放狀態(tài)。根據(jù)平板上非保持疊放狀態(tài)及滑落的硬幣數(shù)計算成績。2、硬件測試按照系統(tǒng)的規(guī)定要求，必須測量自由擺的固有周期和電機脈沖頻率與其轉(zhuǎn)速的關(guān)系，兩者進行比對，從而確定該如何設(shè)置脈沖頻率。3、軟件仿真測試?yán)胮rotues軟件，對電路進行仿真。仿真電路圖如下：4.2測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測量周期必須取多次測量的平均值，將誤差減小。電機旋轉(zhuǎn)時，震動盡量小，旋轉(zhuǎn)角度比自由擺擺動角度略?。紤]慣性）。測試儀器：數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，秒表，直尺4.3測試結(jié)果及分析測試結(jié)果(數(shù)據(jù))單擺自由擺動十個周期所需要的時間次數(shù)12345平均值時間（s）電機脈沖頻率（轉(zhuǎn)換為周期）與其旋轉(zhuǎn)十周所需要的時間電機脈沖周期（μs）75080085090095010001050時間（s）電機脈沖周期（μs）1100115012001250130013501400時間（s）通過MATLAB制圖可得：由圖可得電機脈沖頻率與其旋轉(zhuǎn)一周所需要的時間基本成線性關(guān)系，關(guān)系式為：y=0.0015x+0.0769。測試分析與結(jié)論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，，電機脈沖頻率與其旋轉(zhuǎn)一周所需要的時間關(guān)系式為：y=0.0015x+0.0769。由此可以得出以下結(jié)論：1.要滿足擺桿擺一個周期，平板旋轉(zhuǎn)一周（360o）,根據(jù)函數(shù)式一一對應(yīng)的關(guān)系，取電機脈沖周期為1255μs，經(jīng)實際檢驗，符合系統(tǒng)要求。 2.為滿足自由擺上的硬幣保持穩(wěn)定，通過反復(fù)試驗，電機脈沖周期為750μs時，震動最小。步進電機旋轉(zhuǎn)角度比自由擺擺動角度小3o時，平板上硬幣最穩(wěn)定。結(jié)論：經(jīng)過實際的測試能滿足基本部分的要求。發(fā)揮部分：測試基本要求：（1）如下圖所示，在平板上固定一激光筆，光斑照射在距擺桿150cm距離處垂直放置的靶子上。擺桿垂直靜止且平板處于水平時，調(diào)節(jié)靶子高度，使光斑照射在靶紙的某一條線上，標(biāo)識此線為中心線。用手推動擺桿至一個角度θ（θ在30o～60o間），啟動后，系統(tǒng)應(yīng)在15秒鐘內(nèi)控制平板盡量使激光筆照射在中心線上（偏差絕對值＜1cm），完成時以LED指示。（2）在上述過程完成后，調(diào)整平板，使激光筆照射到中心線上（可人工協(xié)助）。啟動后放開讓擺桿自由擺動；擺動過程中盡量使激光筆光斑始終瞄準(zhǔn)照射在靶紙的中心線上。測試原理圖：4.6測試結(jié)論及分析：結(jié)果：根據(jù)實際測試的結(jié)果，激光筆光斑基本能夠始終瞄準(zhǔn)在靶紙的中心線上，但是有一定的誤差，對于偏差絕對值小于1CM的要求，成功率不高。分析：經(jīng)過不斷的測試和分析，產(chǎn)生較大的誤差原因有以下幾點：1、人手動啟動單擺，會有人為的誤差。2、簡易制作的單擺會前后擺動，也會產(chǎn)生機械誤差。3、用單片機計算控制算法的時候，不過精確，也會產(chǎn)生誤差。結(jié)論：本設(shè)計能部分滿足發(fā)揮部分的要求。經(jīng)過辛苦的備戰(zhàn)和四天三夜緊張的制作，終于完成了基于自由擺的平板控制系統(tǒng)的設(shè)計。本設(shè)計采用PIC16F877A作為設(shè)計用的單片機。對于核心采樣元件的選取，本設(shè)計最終使用了精確電位器來作為獲取單擺角度的工具。相對于mma7445或者mma7361傳感器集成板而言，精確電位器在本設(shè)計的應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢，更加節(jié)約簡便。在本次競賽中，我們各自發(fā)揮各自的優(yōu)點，經(jīng)過辛勤的努力，從而使我們能優(yōu)秀的完成作品。同時我們也一起積極討論問題，選擇最終方案。通過這次競賽，我們理論聯(lián)系實際，將電子方面的知識充分應(yīng)用到了設(shè)計中，充分發(fā)揮的PIC單片機的功能，夯實了基礎(chǔ)，提高了理論聯(lián)系實際的能力，更提高了電子設(shè)計方面的綜合能力。此次大賽，對我們而言，不僅給我們提供了一次難得的檢驗自己的平臺，而且充分鍛煉了自己吃苦能力知識應(yīng)用能力。在以后的時間里，我們會繼續(xù)我們電子設(shè)計的愛好，設(shè)計出更好的作品。附錄附錄1：電路原理圖附錄2：源程序#include<pic.h>#include<stdlib.h>__CONFIG(0x3F39);voidDELAY(unsignedint);chara,b;signedchari,m=0;unsignedintx=0,bb=75;//x存放AD值,bb存高電平floaty1,y2=2.46,y;//z為最低點的角度值//========主程序main(void){ TRISA0=1;//模擬口 TRISB=0; RB0=0;RB1=1;//用到RB0=正反轉(zhuǎn)，RB1=使能端低電平有效 ,電機驅(qū)動用 TRISC2=0; //RC2/CCP1為輸出 PR2=46; //周期為1ms ADCON1=0B10001110;//右對齊，8Tosc，AN0模擬，其余數(shù)據(jù) ADCON0=0B01000001;//選擇通道0 while(1) { //AD for(i=1;i<5;i++)NOP(); ADGO=1; while(ADGO==1); ADIF=0; x=ADRESH; x=x<<8; x|=ADRESL; y1=(float)x; y1/=1023; y1*=5;//測得電壓值 y1=y1-2.46; y1=y1/0.0187;//此時Y為角度 y1=y1*100;//放大100倍 x=(unsignedint)y1;//公式換算 y=y1-y2; y=abs(y);//與前一次的比較，再取絕對值 if(y<=0.01)RB1=1; if(y1>=y2) { RB1=0;//打開使能端 if((y1-y2)<=0.02)RB1=1; if((y1>3