全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽 基于自由擺的平板控制系統(tǒng)(B題)

1、2021年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽基于自由擺的平板控制系統(tǒng)B題【本科組】2011年9月2日摘 要 此題要求設(shè)計(jì)一個(gè)自由擺平板控制系統(tǒng)，其中傾角傳感器SCA60C、步進(jìn)電機(jī)和單片機(jī)AT89C52系統(tǒng)是核心部件。利用SCA60C傾角傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；在控制平板轉(zhuǎn)動(dòng)角度、速度方面，經(jīng)過(guò)充分比擬、論證，最終選用了控制精確的步近電機(jī)42BYG250-40，其最小步進(jìn)角1.8度，易于控制平板轉(zhuǎn)動(dòng)角度；將傾角傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)并通過(guò)共陽(yáng)數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)顯示自由擺偏轉(zhuǎn)角度；采用單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí)。最后的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，系統(tǒng)完全到達(dá)了設(shè)計(jì)要求，并增加了角度顯示創(chuàng)新功能。關(guān)鍵詞：自由擺、傾

2、角傳感器SCA60C、單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、數(shù)碼管顯示。目錄一：系統(tǒng)方案 P4論證 P4控制器模塊 P4角度檢測(cè)模塊P4電機(jī)模塊P4驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊P4顯示模塊P4電源模塊P4 P5 P5二、理論分析與計(jì)算 P52.2 自由擺偏離角與平板傾角關(guān)系P52.1 時(shí)鐘周期與平板轉(zhuǎn)動(dòng)角度關(guān)系P5三、電路與程序設(shè)計(jì) P6 P6 P6 P6軟件設(shè)計(jì)與工作流程圖 P7.1軟件設(shè)計(jì) P7.2工作流程圖 P7四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果 P8 P8P84.3平板轉(zhuǎn)動(dòng)固定角度需給脈沖數(shù)目確實(shí)定P8P8五、結(jié)語(yǔ) P8附錄附錄一 總原理圖P10 附錄二 源程序P11一：系統(tǒng)方案 此題要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)自由擺上的平板控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)

3、在自由擺擺動(dòng)過(guò)程中平板自由旋轉(zhuǎn)，以及在自由擺擺動(dòng)過(guò)程中平擺上放置硬幣使硬幣不滑落。發(fā)揮局部要求實(shí)現(xiàn)用手推動(dòng)擺桿至一個(gè)角度在3060間，啟動(dòng)后，系統(tǒng)應(yīng)在15 秒鐘內(nèi)控制平板盡量使平板上的激光筆照射在設(shè)定的中心線上。本系統(tǒng)利用角度傳感器檢測(cè)單擺擺動(dòng)角度并用數(shù)碼管顯示，利用單片機(jī)接收信號(hào)并控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制平板轉(zhuǎn)動(dòng)。主要由角度檢測(cè)模塊、電機(jī)模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊，顯示模塊，電源模塊，控制器模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。方案論證控制器模塊方案一：采用ATMEL 公司的STC89C52。52單片機(jī)價(jià)格廉價(jià)，應(yīng)用廣泛，其功能足以實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)要求。方案二：采用凌陽(yáng)公司的SPCE061A 單片機(jī)作為控制器

4、的方案。該單片機(jī)I/O資源豐富，但是價(jià)格昂貴。綜合考慮，我們選擇價(jià)格廉價(jià)的方案一。角度檢測(cè)模塊方案一：采用深圳市華夏磁電子技術(shù)開發(fā)的AME-B001角度傳感器，0360度測(cè)量范圍，安裝非常不方便，而且電壓輸出信號(hào)，采集不便。方案二：采用SCA60C傾角傳感器，90 +90測(cè)量范圍。4.5輸出，工作溫度范圍寬，價(jià)格廉價(jià)，安裝方便，電壓輸出信號(hào)，采集不便。方案三：采用OMRON公司的E6B2-CWZ6C編碼器，數(shù)字信號(hào)輸出，采集方便，價(jià)格昂貴，安裝不便。由性價(jià)比考慮以及安裝簡(jiǎn)便程度選擇方案二。電機(jī)模塊 方案一：采用直流減速電機(jī)控制平板，直流減速電機(jī)力矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)速度快，但其制動(dòng)能力差,無(wú)法到達(dá)平板轉(zhuǎn)

5、動(dòng)的要求。方案二：采用型號(hào)42BYG的步進(jìn)電機(jī)控制平板的運(yùn)動(dòng)，最小步進(jìn)角為1.8度，因此能實(shí)現(xiàn)平板轉(zhuǎn)動(dòng)的精確控制，而且當(dāng)不給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖的時(shí)候，能實(shí)現(xiàn)自鎖，從而能較好的實(shí)現(xiàn)平板停止轉(zhuǎn)動(dòng)的目的。驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊方案一：采用BY-2HB03MA步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，此款驅(qū)動(dòng)器使用THB6128芯片，電源損耗低，開關(guān)效率高。細(xì)分?jǐn)?shù)可選1/1，1/2，1/4，1/8，1/16，1/32，1/64，1/128。方案二：采用ZD6209V2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，高可靠性，街口采用超高速光耦隔離，細(xì)分?jǐn)?shù)可選1/1，1/2，1/4，1/8，1/16?？紤]到本設(shè)計(jì)不需用太高的細(xì)分，1/8細(xì)分即可，應(yīng)選擇方案二。1.1.5顯

6、示模塊方案一：用LED顯示，優(yōu)點(diǎn)亮度高、本錢低。但不能顯示漢字，顯示內(nèi)容較少。方案二：采用金鵬電子的圖形點(diǎn)陣式液晶OCJM4*8C。串行接口，顯示簡(jiǎn)單?？紤]到本設(shè)計(jì)顯示模塊只用來(lái)顯示自由擺擺動(dòng)的角度，數(shù)碼管顯示即可，應(yīng)選方案一。電源模塊方案一：用開關(guān)電源S-25-12 高效率，高可靠，輸出12V電壓。方案二：用電池組供電，相對(duì)較不可靠。經(jīng)比擬，選擇可靠性較高的方案一，輸出的12V電源可直接給電壓跟隨器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，其余局部所需的5V電源可利用三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后輸出。單片機(jī)最小系統(tǒng)傾角傳感器AD轉(zhuǎn)換器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)平板根據(jù)上述方案論證，我們確定以STC89C52作為控制核心，采用型號(hào)為4

7、2BYG的步進(jìn)電機(jī)控制平板轉(zhuǎn)動(dòng)，采用SCA60C傾角傳感器檢測(cè)自由擺擺動(dòng)角度，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器將數(shù)字型號(hào)送給單片機(jī)，并利用數(shù)碼管顯示角度，采用ZD6209V2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。圖一 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖二、理論分析與計(jì)算2.1 時(shí)鐘周期與平板轉(zhuǎn)動(dòng)角度關(guān)系本設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)定為16細(xì)分，1細(xì)分時(shí)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器16。自由擺擺長(zhǎng)為100cm，由周期計(jì)算公式T=2Lg得出擺動(dòng)周期大約為2秒。要使平板在自由擺擺動(dòng)一個(gè)周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)一周360那么單片機(jī)時(shí)鐘周期為2.2 自由擺偏離角與平板傾角關(guān)系 三、電路與程序設(shè)計(jì)31檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 傾角傳感器與電壓跟隨器連接，將電壓信號(hào)傳給AD轉(zhuǎn)換器電路圖如下所示。

8、 軟件設(shè)計(jì)與工作流程圖.1軟件設(shè)計(jì) 軟件要實(shí)現(xiàn)功能如下：1、讀傾角傳感器角度；2、給步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)脈沖；3、顯示擺桿角度；4、鍵盤控制選擇工作模式3.4.2工作流程圖開始按下復(fù)位鍵后按下S4按下復(fù)位鍵后按下S4按下按鍵S2根據(jù)數(shù)碼管顯示把擺桿拉直45根據(jù)數(shù)碼管顯示把擺桿拉直40擺桿拉至45左右把平板放平在平板上放八枚硬幣把平板放平在平板上放一枚硬幣按下按鍵S2 按下復(fù)位鍵后按下按鍵S3按下復(fù)位鍵后按下按鍵S3手放開擺桿，同時(shí)平板自由旋轉(zhuǎn)且擺桿每擺動(dòng)一個(gè)周期平板轉(zhuǎn)動(dòng)一周手放開擺桿手放開擺桿木板在瞬間與擺桿垂直，此后電機(jī)停止工作木板在瞬間與擺桿垂直，此后電機(jī)停止工作結(jié)束硬幣隨自由擺做單擺運(yùn)動(dòng)硬幣隨自

9、由擺做單擺運(yùn)動(dòng)結(jié)束結(jié)束四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4位半數(shù)字萬(wàn)用表(MASTECH MY-65)，秒表，計(jì)算器,米尺。根據(jù)理論公式自由擺擺動(dòng)周期T=2Lg=2.0070s實(shí)際試驗(yàn)中，自由擺在擺動(dòng)過(guò)程中頂端的軸承存在摩擦，自由擺擺不到原最高位，擺動(dòng)周期會(huì)小。表1 自由擺擺動(dòng)周期記錄次數(shù)12345十個(gè)周期時(shí)間4.3平板轉(zhuǎn)動(dòng)固定角度需給脈沖數(shù)目確實(shí)定要使平板轉(zhuǎn)動(dòng)一周，根據(jù)理論可計(jì)算出所需脈沖數(shù)，但是實(shí)際試驗(yàn)中，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在與平板連接出有打滑現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，數(shù)據(jù)記錄如下，其中，設(shè)置驅(qū)動(dòng)電機(jī)細(xì)分為8細(xì)分，那么每給一個(gè)脈沖步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)0.225度。表2 使平板轉(zhuǎn)動(dòng)一周所需脈沖數(shù)記錄脈沖數(shù)目與平板轉(zhuǎn)動(dòng)

10、360度差值16001610-1613-0.41615+0.2根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，使平板轉(zhuǎn)動(dòng)一周所需脈沖數(shù)為1615個(gè)。 表3 根本功能1測(cè)試記錄次數(shù)12345角度偏差2532 表4 根本功能2測(cè)試記錄次數(shù)12345偏離中心線+0+0 表5 根本功能3測(cè)試記錄次數(shù)12345掉落硬幣數(shù)00200五、結(jié)語(yǔ)在這段時(shí)間內(nèi)的試驗(yàn)過(guò)程中，我們遇到過(guò)很多問題，需要靠我們自己去考慮，去動(dòng)手，去解決。平時(shí)我們多數(shù)時(shí)間只是在學(xué)習(xí)理論知識(shí)，在準(zhǔn)備比賽和進(jìn)行比賽這段期間內(nèi)，我們將平時(shí)在課本上學(xué)習(xí)的protel、keil、燒錄軟件等軟件真真正正的運(yùn)用到實(shí)踐中。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們分工工作，相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督，增強(qiáng)

11、了和他人的協(xié)作能力。我們更加增進(jìn)了對(duì)團(tuán)隊(duì)工作意識(shí)，增進(jìn)了友誼。然而，我們的電子設(shè)計(jì)作品還有很多缺乏，有待進(jìn)一步的提高，在此懇請(qǐng)各位老師的批評(píng)指導(dǎo)。附錄一 總原理圖附錄二 源程序#include#include#includemath.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit key1=P34;sbit key2=P35;sbit key3=P36;sbit dula=P26;sbit wela=P27;sbit zx=P13; /控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向sbit gz=P14; /控制步進(jìn)電機(jī)是否工作sbit mc=P16;sb

12、it AD_CS = P24; /設(shè)置單片機(jī)連接TLC1549的引腳sbit AD_CLK = P22;sbit AD_DAT = P21; /控制步進(jìn)電機(jī)脈沖unsigned int adc_value1,adc_value2,adc_value3,adc_value4;uchar tt,n;uint duqu1,duqu2,duqu3,duqu4,cha,pinjun1,pinjun2,fre,num;unsigned int adc_value;uchar code table= 0 xC0,0 xF9,0 xA4,0 xB0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xF8,0 x80,

13、0 x90 ; uchar a,aa,bb,cc,dd,ee;uint jiaodu;float y,yy;void display(uchar wan,uchar qian,uchar bai,uchar shi,uchar ge);unsigned int readadc(void) /讀取ADC數(shù)據(jù)的函數(shù)unsigned char i;unsigned int AD_Te,AD2,AD8;AD8=0;AD2=0;AD_CS = 1; AD_CLK = 0;AD_DAT = 1;AD_CS = 0; /拉低CS信號(hào)，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)for(i=0;i2;i+) /讀取高兩位AD_CLK =0;

14、_nop_();AD2 =AD21;if(AD_DAT)AD2+=0 x01;AD_CLK=1;_nop_();for(i=0;i8;i+) /讀取低8位AD_CLK =0;_nop_();AD8 =AD80;x-)for(y=110;y0;y-);void display(uchar wan,uchar qian,uchar bai,uchar shi,uchar ge);void main()TMOD=0 x01; TH0=(65536-250)/256;TL0=(65536-250)%256;if (key1=0)mc=0;zx=1;EA=1;ET0=1;TR0=1;while(1)re

15、adadc();adc_value1=readadc();readadc();adc_value2=readadc();readadc();adc_value3=readadc();readadc();adc_value4=readadc();pinjun1=(adc_value1+adc_value2+adc_value3+adc_value4)/4;delay(4);readadc();duqu1=readadc();readadc();duqu2=readadc();readadc();duqu3=readadc();readadc();duqu4=readadc();pinjun2=(

16、duqu1+duqu2+duqu3+duqu4)/4;cha=pinjun1-pinjun2;n=abs(cha);if(n20)gz=1;elsegz=0;if (key2=0)num=0;gz=1;zx=0;mc=0;TMOD=0 x01; TH0=(65536-250)/256;TL0=(65536-250)%256;EA=1;ET0=1;TR0=1; while(1)if (num=400)num=0;TR0=0;readadc();adc_value=readadc();if (100adc_value&adc_value495) zx=1;if (495adc_value&adc_

17、value0;a-) display(aa,bb,cc,dd,ee); void timer0() interrupt 1TH0=(65536-250)/256;TL0=(65536-250)%256;tt+;if(tt=2)tt=0;mc=mc;num+;void display(uchar wan,uchar qian,uchar bai,uchar shi,uchar ge)dula=1; P0=tablewan;dula=0; P0=0 xff; wela=1; P0=0 x02; wela=0; delay(1);dula=1; P0=tableqian;dula=0; P0=0 xff; wela=1; P0=0 x04; wela=0; delay(1);dula=1; P0=tableb