1、 2011年全國大學生電子設計競賽基于自由擺的平板控制系統（B題）【本科組】編 號 B甲 01204題 目 基于自由擺的平板控制系統（B題）學 校 山東交通學院系 部 信息工程系 專 業 電信 電信 自動化 學生姓名 指導教師 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 系統總體設計方案 PAGEREF _Toc3527 5 HYPERLINK l _Toc20405 2.1 自由擺控制系統的原理與組成 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 控制驅動的論證與選擇 PA

3、GEREF _Toc1850 6 HYPERLINK l _Toc13511 2.2.5 人機交互的論證與方案 PAGEREF _Toc13511 6 HYPERLINK l _Toc6183 PAGEREF _Toc6183 6 HYPERLINK l _Toc30946 第三章 測控系統的硬件設計 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電機驅動：L298N PAGEREF _Toc2936 7 HYPERLINK l _Toc1319 PAGEREF _Toc1319 7 HYPERLINK l _Toc31359 PAGEREF _Toc31359 8 HYPERLINK l _Toc22264 第五章 測試及結論 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 不放硬幣時的測量方法 PAGEREF _Toc13219 10 HYPERLINK l _Toc12958 5.3.2 放硬幣時的測量方法 PAGEREF _Toc12958 10 HYPERLINK l _Toc23902 5.4 帶激光燈時的角度控制 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 擺桿固定時的測試 PAGEREF _Toc5181 12 HYPERLINK l _Toc28591 參考文獻 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 本系統是以C8051F040為控制芯片控

7、制步進電機，從而調節木板平衡的閉環平板控制系統。該系統是主要由擺架框架、數據采集部分、主控板、驅動系統四大部分組成。系統的軟硬件設計都采用了模塊化的設計思想。硬件方面詳細介紹了傳感器電路、信號調試電路、電機驅動電路以及系統擴展所需的其它一些外圍電路的設計，軟件方面以硬件電路為基礎分別進行了模塊化設計。為使測控系統控制更精確在數據采集的過程中采用了非線性誤差校正以及數字濾波等數據處理方法。同時設計中考慮到可能存在的各種干擾因素,采用了軟硬件結合的抗干擾技術提高平板控制系統的穩定性。關鍵字：C8051F040 閉環 平板控制系統 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應用的原理是現代檢測與控制技術。它是現代自動化控制系統應用的典型產物,是一個閉環的控制系統。1.2 本論文概述 該控制系統是一個動態自動平衡測試系統。本文完成以下幾方面工作： 1） 確定系統構成。系統主要包括兩部分，一是被控部分，主要是系統物理組成形成形式，包括擺架構成、傳感器與電機的安裝；二是控制

12、部分，主要是用于控制被控制對象的微處理器類型及其軟件的控制規律。 2） 選擇合適的處理器設計主控板，完成傳感器、信號調試、電機驅動模塊等建測控系統的硬件電路設計。 3） 根據實際硬件平臺進行算法和軟件編寫，實現各個功能模塊。 4） 對傳感器進行標定，進行誤差分析，提高測控系統的準確度。 5） 針對已做工作進行總結，并在此基礎上進行改進。第二章 系統總體設計方案2.1 自由擺控制系統的原理與組成自由擺控制系統的原理與組成自由擺控制系統結構框圖如圖2-1所示，是由數據采集模塊、控制驅動模塊、伺服機構和自由擺本體等幾大部分構成的一個閉環系統。在系統中可通過傾角傳感器的反饋獲得自由擺末端被控對象的位移

13、，控制驅動模塊實時讀取傳感器反饋的數據，確定控制決策（電機應該向哪個方向轉動、轉動速度、加速度等），同時控制模塊通過處理器內部的控制算法實現該控動狀態。驅動電路步進電機C8051F040單片機控制器 人機互動加速度傳感器A/D轉換 本系統主要由數據采集模塊、控制驅動模塊、伺服機構和自由擺本體電源模塊組成。下面分別論證這幾個模塊的選擇。 控制器的論證與選擇方案選定：51 系列單片機的應用比較廣泛，各種技術都比較成熟。所以我們選定C8051F040單片機。它是集成在一塊芯片上的混合信號系統級單片機，在一個芯片內集成了構成一個單片機數據采集或控制的智能節點所需要的幾乎所有模擬和數字外設及其他功能部件

14、，完全能夠完成這次設計的要求我們。傳感器器件的論證與選擇現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合式傾角傳感器，考慮到是檢測重物作用下的平板微動方向，要求傳感器有較好的靈敏度及響應速度，同時要使傳感器安裝方便，選用角度傳感器MMA7260QT，它根據物件運動和方向改變輸出信號的電壓值，直接將其放在用單片機的A/D轉換器讀取此輸出信號，就可以檢測其運動和方向。我們可以將它直接接在平板上就可以檢測出平面的傾角。執行元件的論證與選擇執行元件選擇步進電機，使用步進電機的原因包括操作簡單，由于可接受數字脈沖輸入而變得易于與其他設備接口，優秀的起停和反轉響應運行過程中

15、精度沒有累計誤差等。本次設計采用的步進電機是四相勵磁式步進電機42BYGH02。 控制驅動的論證與選擇控制驅動模塊是平衡控制系統的核心是實現系統閉環的關鍵環節。它接收加速度傳感器反饋的電壓數據，進而根據給定的控制算法計算出控制量，輸出后控制電機的轉動，從而維持系統的平衡。同時控制驅動模塊需監控電機運轉情況，通過軟件實現最佳位置控制及超速保護等。控制驅動模塊包括數據處理芯片、內存、通信總線、電機驅動模塊。 人機交互的論證與方案 人機交互模塊是使用鍵盤控制進行模式切換，經過討論，我們選擇現有的無線模塊轉換工作方式，原因：可以遠距離調控，方便快捷的實現模式轉換。 綜上所述：基于自由擺的木板控制系統的

16、設計方案是以C8051F040作為控制芯片，通過控制步進電機驅動電路，調節6cm10cm木板的穩定，為了使該系統穩定運行，我們把它設定為一個閉環控制系統，應角度傳感器MMA7260QT檢測木板所在位置的角度，從而把信息反饋給控制器進行調節，保證木板的水平。從而提高系統的穩定性。模塊器件清單 人機互換模塊：SC2272; 控制模塊：C8051F040單片機； 步進電機驅動模塊：L298; 檢測模塊：角度傳感器MMA7260QT； 第三章 測控系統的硬件設計 本章節重點講述整個檢測與控制系統的硬件結構框架及細節設計。系統硬件采用模塊化結構便于升級和維護。 擺架系統的結構擺架系統包括擺架座、擺桿、軸

17、承及彈性元件等起支撐平板工作臺的作用。選擇的材料要保證擺架有足夠的剛度同時為保證控制方便，有較高的靈敏度，要求擺桿重量適當。 為了提高系統的穩定性，我們選擇220V經過7805的電壓變換后給單片機系統和其他芯片供電。 圖2 電源設計電路 3.3 角度傳感器：MMA7260QTMMA7260QT低成本微型電容式加速度傳感器,采用了信號調理、單極低通濾波器和溫度補償技術，并且提供4個量程可選，用戶可在4個靈敏度中的選擇。該器件帶有低通濾波并已做零g補償。本產品還提供休眠模式，因而是電池充電的手持設備產品的理想之選。 鑒于以上特點，我們選用了MMA7260QT3.4電機驅動：L298N L298N是

18、意法半導體公司的產品，內部包含4通道邏輯驅動電路。是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46V、2A以下的電機。其引腳排列如圖3-5所示，1腳和 15腳可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號。L298可驅動2個電機，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個電動機。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉，ENA，ENB接控制使能端，控制電機的停轉。驅動芯片引腳電路圖： 圖3 邏輯電路 圖4 管腳標注第四章 系統軟件設計 圖5 程序總的設計框圖模塊一流程圖 圖6 自由擺動設計流程圖模塊二流程

19、圖 圖7 放硬幣的自由擺程序模塊三的流程圖 圖8 調節程序流程圖第五章 測試及結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 定點測試主要是觀察步進電機的反應快慢。用手推動擺桿擺起一個角度，利用傾角傳感器提供的當前平板與水平位置的角度，處理器計算出恢復平衡位置所需的脈沖個數并發送給步進電機，電機收到信號后帶動平板向反向方向轉動，到達平衡位置時停止轉動。反復調整脈沖的頻率，確定使步進電機能迅速反應且穩定工作的頻率，使擺桿在穩定后的幾秒內，平板處于水平狀態。 從零度開始，在兩秒鐘內緩慢平穩地將擺桿推至三十度出，在此工程中平板保持水平狀態。將擺桿緩慢推至一定角度在(456

20、0)處，待平板達到水平后釋放，讓擺桿做自由阻尼擺動直至靜止，在擺動過程中使平板保持水平狀態。測試表明，平臺在跟蹤速度要求范圍響應迅速。 不放硬幣時的測量方法 如圖5-1所示，假設擺桿的初始角度為，則當平板由初始位置轉到豎直位置時對應的步進電機轉動90。在執行程序時，時刻對傳感器的輸出電壓做AD轉換，進而轉換成擺桿的角度，將兩次測量的角度結果相減，從而求出步進電機應轉動的角度。公式為=90*|12|，其中為步進電機應轉動的角度， 1、2分別為兩次測量的擺桿與水平面的夾角。 放硬幣時的測量方法 經測試，當平板與擺桿垂直時，擺桿擺動時硬幣不會滑落。于是我們討論后決定以下方案：放下擺桿后，在很短的時間內使擺桿與平板垂直，此后步進電機不再轉動。如圖5-1，步進電機轉動步數公式為：step=/0.225。 綜述結果：我們設計的基于自由擺的平板控制系統初步完成設計要求，系統穩定性有待提高。5.4 帶激光燈時的角度控制 圖10 圖11 當擺桿向左傾斜時，如圖10所示。步進電機應轉動的角度.當擺桿向右傾斜時