畢業(yè)論文：基于自由擺的平板控制系統(tǒng)（終稿）

1、摘 要摘摘 要要：本自由擺的平板控制系統(tǒng)采用 STC12C5A60S2 單片機作為主控系統(tǒng)，L298N 作為電機驅(qū)動模塊，STC12C5A60S2 單片機通過 L298N 驅(qū)動模塊驅(qū) PK545-NAC-C29 步進機，使步進機上的平板隨著擺桿的擺動而旋轉(zhuǎn)。硬件局部主要包括 STC12C5A60S2 單片機最小系統(tǒng)，L298N 電機驅(qū)動電路，N1000060 傾角傳感器，電源模塊等。本設(shè)計主要運用 STC12C5A60S2 單片機控制 4 相 6 線步進電機，由單片機產(chǎn)生脈沖信號精確控制步進機的轉(zhuǎn)速和角度，使步進電機上的平板能夠隨著擺桿擺動而保持水平平衡。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：STC 單片機；L298

2、N 電機驅(qū)動芯片；傳感器目 錄摘摘 要要.1目目 錄錄.I1設(shè)計任務(wù)與要求設(shè)計任務(wù)與要求.1設(shè)計任務(wù) .1設(shè)計要求 .12方案比擬與論證方案比擬與論證.2主控器的選擇與論證 .2電機的選擇與論證 .2驅(qū)動模塊的選擇與論證 .33系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計.3總體電路框圖 .3單元電路設(shè)計 .4整體電路圖 .74系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計.7總體軟件框圖 .7各模塊軟件設(shè)計 .8總程序 .105系統(tǒng)調(diào)試與測試系統(tǒng)調(diào)試與測試.10測試儀器 .10測試指標 .10測試結(jié)果分析 .116設(shè)計總結(jié)設(shè)計總結(jié).11參考文獻參考文獻.11附錄附錄.12附錄 A：電路圖.12附錄 B：電路板圖.13附錄 C：元器件

3、清單.13附錄 D：總程序.14設(shè)計題目設(shè)計題目1設(shè)計任務(wù)與要求設(shè)計任務(wù)與要求1.1 設(shè)計任務(wù)1、設(shè)計并制作一個自由擺上的平板系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示。擺桿的一端通過轉(zhuǎn)軸固定在一支架上，另一端固定安裝一臺電機，平板固在電機轉(zhuǎn)軸上；當擺桿如圖 1-2 所示擺動時，驅(qū)動電機可以控制平板轉(zhuǎn)動。圖 1-1 圖 1-21.2 設(shè)計要求1、控制電機使平板可以隨著擺桿的擺動而旋轉(zhuǎn)35 周 ，擺桿擺一個周期，平板旋轉(zhuǎn)一周360 ，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 在 3045 間 ，調(diào)整平板角度，在平板中心穩(wěn)定放置一枚 1 元硬幣

4、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 在 4560 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 1-2；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方案比擬與論證方案比擬與論證2.1 主控器的選擇與論證方案一：采用 STC12C5A60S2方案二：采用 STC89C52方案三：采用 AT89C52方案論證：方案

5、一，STC12C5A60S2 芯片價格廉價，應(yīng)用范圍廣，功能強大，高速運轉(zhuǎn)，低功耗，強抗靜電，強抗干擾，內(nèi)部集成雙串口、8 路 10bitADC 和兩路八位 PWM；方案二，STC89C52 芯片價格廉價，應(yīng)用范圍廣，運轉(zhuǎn)速度慢，抗靜電抗干擾弱，內(nèi)部無 ADC；方案三，AT89C52 芯片價格廉價，應(yīng)用范圍廣，運轉(zhuǎn)速度慢，抗靜電抗干擾弱，內(nèi)部無 ADC。鑒于設(shè)計要求，故采用方案一。2.2 電機的選擇與論證方案一：采用步進電機方案二：采用直流電機方案三：舵機方案論證：方案一，步進電機價格廉價，容易控制，旋轉(zhuǎn)角度于脈沖成正比，每步的旋轉(zhuǎn)角度精確度高，不會將一步的誤差積累到下一步，且具有優(yōu)秀的起停和

6、反轉(zhuǎn)響應(yīng)；方案二，直流電機價格低，調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)，過載、起動、制動轉(zhuǎn)矩大，難于控制轉(zhuǎn)軸的角度和轉(zhuǎn)速；方案三，舵機價格偏高，性能易受電壓影響，控制旋轉(zhuǎn)的角度精確度不高。鑒于設(shè)計要求，故采用方案一。2.3 驅(qū)動模塊的選擇與論證方案一：采用 L298N 芯片方案二：采用 ULN2803 芯片方案三：采用三極管方案論證：方案一，L298N 芯片價格廉價，電路設(shè)計簡單，驅(qū)動電流大，足以驅(qū)動大功率的步進電機；方案二，ULN2803 芯片價格廉價，電路設(shè)計簡單，驅(qū)動電流小，不能驅(qū)動大功率的步進電機；方案三，三極管價格廉價，驅(qū)動電路設(shè)計復(fù)雜，不穩(wěn)定，出問題難于查詢。本設(shè)計采用 PK545-NAC-C

7、29 步進電機，故采用方案一。3系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 總體電路框圖為了使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜的控制功能，本設(shè)計采用一種功能強大的、高速低功耗性價比高的單片機 STC12C5A60S2 完成對其他局部控制。本設(shè)計采用N1000060 傾角傳感器對擺桿的傾斜角度的采集數(shù)據(jù)，通過 STC12C5A60S2 單片機內(nèi)部自帶的 A/D 轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)送給單片機，單片機通過數(shù)據(jù)分析控制 L298N 驅(qū)動電路，使步進機旋轉(zhuǎn)保持平板的水平平衡，用 1602 液晶顯示 A/D 的數(shù)據(jù)?？傮w框圖如圖 3-1 所示。電 源單片機驅(qū)動模塊步進機液 晶 顯 示傳感器AD模塊圖 3-1 總體框圖3.2 單元電路設(shè)計

8、1、STC12C5A60S2 單片機最小系統(tǒng)STC12C5A60S2 單片機最小系統(tǒng) P11 口、P12 口、P13、P14 口接 L298 驅(qū)動電流的輸入口，單片機通過對 L298N 的控制，使 L298 發(fā)出脈沖控制步進機；P23 口、P24 口、P25 口接 1602 液晶，控制液晶顯示 A/D 采集 N1000060 傾角傳感器的數(shù)據(jù)，A/D 轉(zhuǎn)換是用 STC12C5A60S2 內(nèi)部自帶的 A/D。單片機最小系統(tǒng)如圖 3-2、3-3 所示。圖 3-2 最小系統(tǒng)圖 3-3 串口局部2、L298N 電機驅(qū)動L298N 是一種二相四相步電機的專用驅(qū)動器，內(nèi)含兩個 H-Bridge 的高電壓、

9、大電流雙橋式驅(qū)動器，接收標準；OUT1、OUT2、OUT3、OUT4 之間分別接兩個步進機；INPUT1、INPUT2、INPUT3、INPUT4 接單片機 I/O，接收輸入控制電位來控制電機旋轉(zhuǎn)。L298N 驅(qū)動電路如圖 3-4 所示。圖 3-4 L298N 驅(qū)動3、供電電源供電電源采用集成穩(wěn)壓器 7805，電路圖中，穩(wěn)壓器 7805 輸入端的電容為輸入端濾波電容，輸出端的電容為輸出端濾波電容；家用電 220V 經(jīng)過變壓器接入供電電源模塊，能輸出直流電壓-12V、-5V、5V、12V。供電電源如圖 3-5 所示。圖 3-5 供電電源3.3 整體電路圖見附錄 A4系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1

10、 總體軟件框圖 1、總體軟件框圖如圖 4-1 所示。 圖 4-1 總體軟件框圖初始化讀傾角傳感器電壓A/D 轉(zhuǎn)換單片機處理讀到的 A/D 數(shù)據(jù)控制驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動平板是否水平否結(jié)束是4.2 各模塊軟件設(shè)計1、步進電機右轉(zhuǎn)函數(shù)void l_turn(uint i)/步進電機右轉(zhuǎn)函數(shù)AA;delay_ms(i);AB;delay_ms(i);BB;delay_ms(i);BC;delay_ms(i);CC;delay_ms(i);CD;delay_ms(i);DD;delay_ms(i);DA;delay_ms(i);2、步進電機左轉(zhuǎn)函數(shù)void r_turn(uint i)/步進電機左轉(zhuǎn)函數(shù)DA;d

11、elay_ms(i);DD;delay_ms(i);CD;delay_ms(i);CC;delay_ms(i);BC;delay_ms(i);BB;delay_ms(i);AB;delay_ms(i);AA;delay_ms(i);3、STC12C5A60S2 內(nèi)部 AD BYTE get_ad0()/AD 讀取傳感器 1 的值A(chǔ)DC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ch0|ADC_START;_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_(); while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG);return ADC_RES;BYTE get

12、_ad5()/AD 讀取傳感器 2 的值A(chǔ)DC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ch5|ADC_START;_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_(); while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG);return ADC_RES;4.3 總程序 見附錄 D5系統(tǒng)調(diào)試與測試系統(tǒng)調(diào)試與測試5.1 測試儀器1、數(shù)字萬用表2、量角器 5.2 測試指標當 N100060 傾角傳感器與水平方向有角度時，N100060 傾角傳感器會產(chǎn)生一個一壓，STC12C5A60S2 單片機通過內(nèi)部自帶 AD 轉(zhuǎn)換采集 N100060 反應(yīng)的電壓值。每個電壓

13、值對應(yīng)一個角度，通過量角器測出角度，列出表格。如表格 5-1所示。表 5-1 角度-90-60-45-30030456090AD 值512傾角傳感器5.3 測試結(jié)果分析從表格 5-1 可得：傾角傳感器與水平方向平行時，輸出電壓是 2.5V；向左右與水平方向傾斜 90 度時，其電壓的變化量為 2V。由此可得誤差允許范圍內(nèi)傾角傳感器與水平方向的角度 a 與傾角傳感器的電壓變化量 v 的數(shù)學(xué)關(guān)系為：v=a(1/45)本設(shè)計采用 4 相 6 線 PK545-NAC-C29 步進電機，4 相 8 拍運行方式 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，對應(yīng)一個脈沖信號，步距角為 =360 度/50*8=

14、0.9 度俗稱半步 。本設(shè)計把 N100060 傾角傳感器固定在步進電機上，與水平方向平行，當擺桿有一個角度時，STC12C5A60S2 單片機內(nèi)部自帶 AD 讀取 N1000060 傾角傳感器電壓值，就能精確控制步進電機的轉(zhuǎn)動角度，使步進電機上的平板保持平衡。如：當 STC12C5A60S2 單片機內(nèi)部自帶 AD 讀取 N1000060 傾角傳感器電壓值為3.5V 時，其 N1000060 傾角傳感器電壓變化量為 v=1V，通過上式計算得N100060 傾角傳感器與水平方向的角度 a 為 45 度，從而就能控制步進電機旋轉(zhuǎn)45 度，使步進電機上的平板保持平衡。6設(shè)計總結(jié)設(shè)計總結(jié)經(jīng)過四天三夜的

15、辛勤努力，本設(shè)計實現(xiàn)了題目的全部要求。但由于時間緊，任務(wù)重，系統(tǒng)還存在許多可以改良的地方，比方電路布局、抗干擾性等方面還有很大的提升空間，經(jīng)過改良，相信性能還會有進一步的提升。在軟件編程方面，成功的通過軟件編程消除了步進電機的抖動問題，采用的方法是：通過 A/D 轉(zhuǎn)換采集傾角傳感器的數(shù)據(jù)，10 個數(shù)據(jù)一組，然后取平均值。本次競賽極大的鍛煉了我們各方面的能力，雖然我們遇到了很多困難和障礙，但總體上成功與挫折交替，困難與希望并存，我們將繼續(xù)努力爭取更大的進步。參考文獻參考文獻1毛禮銳，沈灌群.中國教育通史M.濟南：山東教育出版社，1988.20-22.2王英杰，高益民.高等教育的國際化J.清華大學(xué)

16、教育研究，20002：13-16.3中華人民共和國國務(wù)院.計算機軟件保護條例J/0L.東方網(wǎng)附錄附錄附錄 A：電路圖附錄 A-1附錄 A-2附錄 B：電路板圖附錄 B-1附錄 C：元器件清單電阻6 個瓷片電容12 個電解電容4 個鍵盤6 個單片機1 個開關(guān)2 個L298N1 個穩(wěn)壓 78051 個穩(wěn)壓 78121 個N10000602 個步進電機1 個MS2321 個串口1 個電位器1 個整流橋1 個變壓器1 個發(fā)光二極管4 個二極管8 個 附錄 D：總程序#include #include#define uint unsigned int#define uchar unsigned char

17、typedef unsigned char BYTE;typedef unsigned int WORD;sfr ADC_CONTR=0 xBC;sfr ADC_RES=0 xBD;sfr ADC_RESL=0 xBE;sfr ADC_LOW2=0 xBE;sfr P1ASF=0 x9D;#define ADC_POWER 0 x80#defineADC_FLAG 0 x10#defineADC_START 0 x08#defineADC_SPEEDLL 0 x00#defineADC_SPEEDL 0 x20#defineADC_SPEEDH 0 x40#defineADC_SPEEDHH

18、0 x60sbit en=P25;/使能sbit rs=P23;/數(shù)據(jù)命令sbit rw=P24;/讀寫/定義步進電機連接端口sbit A1=P11;/轉(zhuǎn)三周sbit B1=P12;/轉(zhuǎn)四周sbit C1=P13;/轉(zhuǎn)五周sbit D1=P14;/來回擺動/定義要用到按鍵的管腳sbit k1=P34;sbit k2=P35;sbit k3=P36;sbit k4=P37;/定義全局變量uint su=20;/8 最大uint j=0;uint jian_zhi=0;uint temp1=0;uchar shu=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,-,:, ;uint i=6;uint ch

19、ong1=0;uint su1=20;/8 最大uint su2=20;uint m=0;uint ad=0;uint ad0=0;uint j1=0;uint j2=0;uint ad5=0;BYTE ch0=0; /模擬通道選擇BYTE ch5=5;uint er_flag=0;/使用 1-2 相驅(qū)動#define AA A1=1;B1=0;C1=0;D1=0;#define BB A1=0;B1=1;C1=0;D1=0;#define CC A1=0;B1=0;C1=1;D1=0;#define DD A1=0;B1=0;C1=0;D1=1;#define AB A1=1;B1=1;C1

20、=0;D1=0;#define BC A1=0;B1=1;C1=1;D1=0;#define CD A1=0;B1=0;C1=1;D1=1;#define DA A1=1;B1=0;C1=0;D1=1;/函數(shù)聲明void delay_ms(uint x);void r_turn(uint i);void l_turn(uint i);void delay(WORD n)WORD x;while(n-)x=110;while(x-);void delay_ms(uint x)/延時函數(shù)uint y,z;for(y=x;y0;y-)for(z=130;z0;z-);void l_turn(uint

21、 i)/步進電機右轉(zhuǎn)函數(shù)AA;delay_ms(i);AB;delay_ms(i);BB;delay_ms(i);BC;delay_ms(i);CC;delay_ms(i);CD;delay_ms(i);DD;delay_ms(i);DA;delay_ms(i);void r_turn(uint i)/步進電機左轉(zhuǎn)函數(shù)DA;delay_ms(i);DD;delay_ms(i);CD;delay_ms(i);CC;delay_ms(i);BC;delay_ms(i);BB;delay_ms(i);AB;delay_ms(i);AA;delay_ms(i);void l_dan()switch(m

22、)case 0:AA;m+;break;case 1:AB;m+;break;case 2:BB;m+;break;case 3:BC;m+;break;case 4:CC;m+;break;case 5:CD;m+;break;case 6:DD;m+;break;case 7:DA;m+;break;case 8:m=0;break;default :break;void r_dan()switch(m)case 0:DA;m+;break;case 1:DD;m+;break;case 2:CD;m+;break;case 3:CC;m+;break;case 4:BC;m+;break

23、;case 5:BB;m+;break;case 6:AB;m+;break;case 7:AA;m+;break;case 8:m=0;break;default :break;void ting_zhi()A1=0;B1=0;C1=0;D1=0;/LCD1602 初始化void write_com(uchar com)rs=0;P0=com;delay(1);en=1;delay(1);en=0;void write_data(uchar datae)rs=1;P0=datae;delay(5);en=1;delay(5);en=0;void display_shu(uchar hang,

24、uchar add,uchar num)/在 1602 顯示數(shù)據(jù)的函數(shù)，hang 為第幾行，add 為位置，num 為數(shù)據(jù)uchar shi;shi=num;if(hang=1)write_com(0 x80+add);write_data(0 x30+shi);if(hang=2)write_com(0 x80+0 x40+add);write_data(0 x30+num);void init_LCD()/初始化en=0;rw=0;write_com(0 x38);/顯示模式控制write_com(0 x0c);/顯示開關(guān)及光標控制write_com(0 x06);/數(shù)據(jù)指針設(shè)置write

25、_com(0 x01);/清零write_com(0 x80);void InitADC()P1ASF=0 x21;/輸入通道選擇與 CH 相配合使用,選擇 P12ADC_RES=0; /轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)存儲所在，高八位ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL; /內(nèi)部 AD 主要的控制存放器 ADC_CONTR,選擇 P12;delay(100);BYTE get_ad0()/AD 讀取傳感器 1 的值A(chǔ)DC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ch0|ADC_START;_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_(); while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG);return ADC_RES;BYTE get_ad5()/AD 讀取傳感器 2 的值A(chǔ)DC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ch5|ADC_START;_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_(); while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG);return ADC_RES;void keyscan()if(k1=0)delay(5);if(k1=0)while(!k1);display_shu(1,1,1);su=32;j=150;while(j-)r_turn(