基于自由摆的平板控制系统报告.docx
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基于自由摆的平板控制系统报告
基于自由摆的平板控制系统报告
20XX年全国大学生电子设计竞赛
编 号题 目学 校系 部专 业 学生姓名指导教师参赛时间
基于自摆的平板控制系统
【本科组】
甲01204
基于自摆的平板控制系统山东交通学院信息工程系 电信 电信 自动化 廖连兵刘柯寇海华温巍
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B
摘要................................................................................................................................3
课题分析.......................................................................................................5本论文概述...................................................................................................5第二章系统总体设计方案..........................................................................................5
自摆控制系统的原理与组成.....................................................................5系统模块器件的选定......................................................................................5
控制器的论证与选择..........................................................................5传感器器件的论证与选择...................................................................5执行元件的论证与选择.......................................................................6控制驱动的论证与选择......................................................................6人机交互的论证与方案......................................................................6模块器件清单.......................................................................................6
第三章测控系统的硬件设计......................................................................................6
框架系统的结构..............................................................................................6电源模块..........................................................................................................6角度传感器：
MMA7260QT.............................................................................7电机驱动：
L298N............................................................................................7流程图..............................................................................................................7子程序流程图..................................................................................................8第五章测试及结论....................................................................................................10
定点测试........................................................................................................10动态性能测试................................................................................................10改变负载........................................................................................................10
不放硬币时的测量方法....................................................................10放硬币时的测量方法........................................................................10带激光灯时的角度控制...............................................................................10实验数据........................................................................................................11
旋转实验测试.....................................................................................11放硬币实验测试.................................................................................11发挥部分功能测试........................................................................................12摆杆固定时的测试...............................................................................................12
螺地平仪等复合式倾角传感器，考虑到是检测重物作用下的平板微动方向，要求传感器有较好的灵敏度及响应速度，同时要使传感器安装方便，选用角度传感器MMA7260QT，它根据物件运动和方向改变输出信号的电压值，直接将其放在用单片机的A/D转换器读取此输出信号，就可以检测其运动和方向。
我们可以将它直接接在平板上就可以检测出平面的倾角。
执行元件的论证与选择
执行元件选择步进电机，使用步进电机的原因包括操作简单，于可接受数字脉冲输入而变得易于与其他设备接口，优秀的起停和反转响应运行过程中精度没有累计误差等。
本次设计采用的步进电机是四相励磁式步进电机42BYGH02。
控制驱动的论证与选择
控制驱动模块是平衡控制系统的核心是实现系统闭环的关键环节。
它接收加速度传感器反馈的电压数据，进而根据给定的控制算法计算出控制量，输出后控制电机的转动，从而维持系统的平衡。
同时控制驱动模块需监控电机运转情况，通过软件实现最佳位置控制及超速保护等。
控制驱动模块包括数据处理芯片、内存、通信总线、电机驱动模块。
人机交互的论证与方案
人机交互模块是使用键盘控制进行模式切换，经过讨论，我们选择现有的无线模块转换工作方式，原因：
可以远距离调控，方便快捷的实现模式转换。
综上所述：
基于自摆的木板控制系统的设计方案是以C8051F040作为控制芯片，通过控制步进电机驱动电路，调节6cm×10cm木板的稳定，为了使该系统稳定运行，我们把它设定为一个闭环控制系统，应角度传感器MMA7260QT检测木板所在位置的角度，从而把信息反馈给控制器进行调节，保证木板的水平。
从而提高系统的稳定性。
模块器件清单
人机互换模块：
SC2272;
控制模块：
C8051F040单片机； 步进电机驱动模块：
L298;
检测模块：
角度传感器MMA7260QT；第三章测控系统的硬件设计
本章节重点讲述整个检测与控制系统的硬件结构框架及细节设计。
系统硬件采用模块化结构便于升级和维护。
框架系统的结构
摆架系统的结构摆架系统包括摆架座、摆杆、轴承及弹性元件等起支撑平板工作台的作用。
选择的材料要保证摆架有足够的刚度同时为保证控制方便，有较高的灵敏度，要求摆杆重量适当。
电源模块
为了提高系统的稳定性，我们选择220V经过7805的电压变换后给单片机系统和其他芯片供电。
6
图2电源设计电路
角度传感器：
MMA7260QT
MMA7260QT低成本微型电容式加速度传感器,采用了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，并且提供4个量程可选，用户可在4个灵敏度中的选择。
该器件带有低通滤波并已做零g补偿。
本产品还提供休眠模式，因而是电池充电的手持设备产品的理想之选。
鉴于以上特点，我们选用了MMA7260QT电机驱动：
L298N
L298N是意法半导体公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。
是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。
其引脚排列如图3-5所示，1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。
L298可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。
5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。
驱动芯片引脚电路图：
图3逻辑电路 图4管脚标注
第四章系统软件设计
流程图
7
子程序流程图模块一流程图
图5程序总的设计框图
图6自摆动设计流程图8
模块二流程图
模块三的流程图
图7放硬币的自摆程序8调节程序流程图9
图
第五章测试及结论
自摆的示意图如图9所示：
β 摆杆竖直位摆杆起始位90°—β
平板 图9
定点测试
定点测试主要是观察步进电机的反应快慢。
用手推动摆杆摆起一个角度，利用倾角传感器提供的当前平板与水平位置的角度，处理器计算出恢复平衡位置所需的脉冲个数并发送给步进电机，电机收到信号后带动平板向反向方向转动，到达平衡位置时停止转动。
反复调整脉冲的频率，确定使步进电机能迅速反应且稳定工作的频率，使摆杆在稳定后的几秒内，平板处于水平状态。
动态性能测试 从零度开始，在两秒钟内缓慢平稳地将摆杆推至三十度出，在此工程中平板保持水平状态。
将摆杆缓慢推至一定角度θ在（45o～60o）处，待平板达到水平后释放，让摆杆做自阻尼摆动直至静止，在摆动过程中使平板保持水平状态。
测试表明，平台在跟踪速度要求范围响应迅速。
改变负载
不放硬币时的测量方法
如图5-1所示，假设摆杆的初始角度为，则当平板初始位置转到竖直位置时对应的步进电机转动90°。
在执行程序时，时刻对传感器的输出电压做AD转换，进而转换成摆杆的角度，将两次测量的角度结果相减，从而求出步进电机应转动的角度。
公式为Δ=90°*|α1—α2|，其中Δ为步进电机应转动的角度，α1、α2分别为两次测量的摆杆与水平面的夹角。
放硬币时的测量方法
经测试，当平板与摆杆垂直时，摆杆摆动时硬币不会滑落。
于是我们讨论后决定以下方案：
放下摆杆后，在很短的时间内使摆杆与平板垂直，此后步进电机不再转动。
如图5-1，步进电机转动步数公式为：
step=/。
综述结果：
我们设计的基于自摆的平板控制系统初步完成设计要求，系统稳定性有待提高。
带激光灯时的角度控制
10
图10 图11
当摆杆向左倾斜时，如图10所示。
步进电机应转动的角度
.
当摆杆向右倾斜时，如图11所示。
步进电机应转动的角度
实验数据
基本部分功能包括：
实现了摆杆摆动一周，平板旋转一周的功能；在摆角为30°-45°时，实现了一枚硬币在5个摆动周期内不从平板滑落的功能；在摆角为45°-60°时，实现了八枚硬币在5个摆动周期内不从平板滑落的功能。
旋转实验测试
将摆杆人为拉至不同的角度，启动方式1后，松开摆杆，在摆杆摆动的同时，测量平板转动角度和摆杆摆动周期。
结果如表1.摆杆角度摆动周期平板旋转圈数305455505605表1旋转实验测试结果放硬币实验测试
在平板上放置一些一元硬币，将摆杆拉至不同角度，启动方式2后，松开摆杆，观察板上硬币的情况。
如表2和表3所示。
摆杆角度摆动周期硬币滑离原点距离3050355040504550 表2一枚硬币时的测试结果摆杆角度摆动周期滑落硬币个数
11
455055605555表3八枚硬币时的测试结果发挥部分功能测试摆杆固定时的测试
将激光笔固定在平板上。
首先，将平板置与水平位置，激光照射在一点，标记该点。
将摆杆人为拉开一个角度并固定。
平板将自动转动，使激光笔重新照射到初始点。
观察并记录两次光点间距离和所用时间。
如表4.摆杆角度两点间距离时间30455060 表4
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20XX年全国大学生电子设计竞赛
编 号题 目学 校系 部专 业 学生姓名指导教师参赛时间
基于自摆的平板控制系统
【本科组】
甲01204
基于自摆的平板控制系统山东交通学院信息工程系 电信 电信 自动化 廖连兵刘柯寇海华温巍
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摘要................................................................................................................................3
课题分析.......................................................................................................5本论文概述...................................................................................................5第二章系统总体设计方案..........................................................................................5
自摆控制系统的原理与组成.....................................................................5系统模块器件的选定......................................................................................5
控制器的论证与选择..........................................................................5传感器器件的论证与选择...................................................................5执行元件的论证与选择.......................................................................6控制驱动的论证与选择......................................................................6人机交互的论证与方案......................................................................6模块器件清单.......................................................................................6
第三章测控系统的硬件设计......................................................................................6
框架系统的结构..............................................................................................6电源模块..........................................................................................................6角度传感器：
MMA7260QT.............................................................................7电机驱动：
L298N............................................................................................7流程图..............................................................................................................7子程序流程图..................................................................................................8第五章测试及结论....................................................................................................10
定点测试........................................................................................................10动态性能测试................................................................................................10改变负载........................................................................................................10
不放硬币时的测量方法....................................................................10放硬币时的测量方法........................................................................10带激光灯时的角度控制...............................................................................10实验数据........................................................................................................11
旋转实验测试.....................................................................................11放硬币实验测试.................................................................................11发挥部分功能测试........................................................................................12摆杆固定时的测试...............................................................................................12
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