基于自由擺的平板控制系統(tǒng)設(shè)計報告

基于自由擺的平板控制系統(tǒng)設(shè)計報告摘要基于自由擺的平板系統(tǒng)設(shè)計是設(shè)計基于STC12C5A6S2為核心的控制系統(tǒng),采用電位器作為角度傳感器采集自由擺傾角的信息,采用步進電機作為調(diào)整平板，當(dāng)擺角變化時，電位器傳給單片機內(nèi)部AD一個電壓值，單片機通過內(nèi)部計算，得出角度值，通過角度值，計算出相應(yīng)指令給傳給L298N控制步進電機運轉(zhuǎn)來調(diào)整平板，實現(xiàn)平板控制系統(tǒng)與擺桿的協(xié)調(diào)。一、系統(tǒng)設(shè)計1.1設(shè)計要求a.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°。b.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。c.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。d.如圖3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。根據(jù)光斑偏離中心線的距離計算成績，超時那么視為失敗。二、系統(tǒng)方案的選擇與論證2.1整體方案基于自由擺的平板控制系統(tǒng)選用STC12C5A6S2為核心的控制系統(tǒng),采用電位器作為角度傳感器采集自由擺傾角的信息,采用步進電機作為調(diào)整平板，當(dāng)擺角變化時，電位器傳給單片機內(nèi)部AD一個電壓值，單片機通過內(nèi)部計算，得出角度值，通過角度值，計算出相應(yīng)指令給傳給L298N控制步進電機運轉(zhuǎn)來調(diào)整平板，實現(xiàn)平板控制系統(tǒng)與擺桿的協(xié)調(diào)2.2角度傳感器設(shè)計方案方案一：選用ADXL345，ADXL345是一款超低功耗小巧纖薄的3軸加速計，可以對高達±16g的加速度進行高分辨率〔13位〕測量。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進制補碼的形式，可通過SPI〔3線或4線〕或者I2C數(shù)字接口訪問。ADXL345非常適合移動設(shè)備應(yīng)用。它可以在傾斜感測應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以從運動或者振動中生成動態(tài)加速度。它的高分辨率〔4mg/LSB〕能夠分辨僅為0.25°的傾角變化，通過對加速度值的測量傳給單片機，單片機進行計算，傳回來的值與重力加速度的比值，得出相應(yīng)的角度值，但是ADXL345與單片機采用IIC通信協(xié)議，反響時間比擬長，并且本錢比擬高方案二：選用電位器作為角度傳感器，電位器安放在轉(zhuǎn)動桿主軸上，在擺桿轉(zhuǎn)動時，電位器傳給AD一個電壓值，AD把采集到的電壓值傳給單片機，單片機進行運算電壓的差值，的出相應(yīng)的角度，缺點:精度較低,受外部影響較大，對外界的電磁干擾比擬敏感，并且受隨著時間的變化，阻值由于溫度的變化會產(chǎn)生電壓的變化，很難把電壓值定義成相應(yīng)的溫度值。因為平板需要隨自由擺變化，即刻的做出相應(yīng)反響，因此選用電位器做角度傳感器，考慮到環(huán)境電位器的影響，電位器用屏蔽線進行連接，防止外界電磁波的干擾，在電壓值的采集過程中，采用軟件濾波的方式，使得得到的電壓穩(wěn)定，本系統(tǒng)中軟件控制中，采用讀取電壓差值的方法計算溫度的差值，根據(jù)溫度的差值發(fā)出控制電機的指令。2.3最小系統(tǒng)最小系統(tǒng)選用STC12C5A6S2為核心的單片機，該單片機具有，超強加密，高速，高可靠，低功耗，強抗靜電，強抗干擾等優(yōu)點，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)51單片機，2路PWM，8路高速十位A/D轉(zhuǎn)換器，正對電機控制，強干擾場合。2.4控制平臺本次比賽需要做，自由轉(zhuǎn)動，放硬幣保持平衡，和激光筆指定一個方向，所以需要一個控制平臺，用來調(diào)控要做的實驗，并對初值進行設(shè)置，對相應(yīng)函數(shù)函數(shù)進行引用，本系統(tǒng)采用7289，進行控制，7289是廣州周立功單片機開展自行設(shè)計的,具有SPI串行接口功能的可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管或64只獨立LED的智能顯示驅(qū)動芯片,該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣,單片即可完成LED顯示﹑鍵盤接口的全部功能。ZLG7289A內(nèi)部含有譯碼器,可直接接受BCD碼或16進制碼，并同時具有2種譯碼方式，此外，還具有多種控制指令如消隱﹑閃爍﹑左移﹑右移﹑段尋址等。2.5控制平板系統(tǒng)控制平板系統(tǒng)采用步進電機，其優(yōu)點是系統(tǒng)誤差較小，通過電機給定的脈沖走相應(yīng)的步數(shù)，外受外界干擾小，缺點時，震動較大，對做平衡硬幣的實驗帶來了不利影響三、算法設(shè)計與分析3.1角度信息的采集系統(tǒng)通過采集電位器返回的電壓值，通過單片機內(nèi)部A/D的轉(zhuǎn)化，把電壓值傳給單片機，電位器的精度角度，因此采用軟件濾波的方式，通過定時器采集信息并對其進行積累，每十次取一個平局值，這樣電位器讀取的值就比擬穩(wěn)定,使誤差降低，3.2角度的計算電位器返回的值受溫度影響較大，所以通過計算幅值的差值讀取溫度的差值，通過溫度的差值來控制電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，及其多轉(zhuǎn)過的度數(shù)和相應(yīng)的角度值。3.3電機轉(zhuǎn)動方法電機的轉(zhuǎn)動要需三個參數(shù)，電機轉(zhuǎn)動的方向，電機所需轉(zhuǎn)動的步數(shù)及其轉(zhuǎn)動的速度，本系統(tǒng)中通過定時器不斷采集角度傳感器的信息，并把這些信息進行處理得出控制指令，并把相應(yīng)的控制指令存入控制步進電機的三個參數(shù)中，使步進電機隨角度的變化控制平板的位置。3.4各實驗之間的轉(zhuǎn)換方法設(shè)計因為本次比賽需要做自由轉(zhuǎn)動，放硬幣保持平衡，和激光筆指定一個方向三個實驗，因此需要一個控制平臺來控制各個實驗之間的轉(zhuǎn)換，采用7289進行控制節(jié)省單片機I/O口資源。3.5發(fā)揮局部的計算發(fā)揮局部角度計算：角度a的計算：理想情況下，不考慮電機上平板的厚度和激光筆的截面半徑。那么有：tan(a)=100(1-cos(θ))/(150-100sin(θ))注：該方程中的取值當(dāng)擺位于垂線左半邊時為負值，當(dāng)擺位于垂線右半邊時為正值。那么a=arctan(100(1-cos(θ))/(150-100sin(θ)))3.5誤差分析與設(shè)計誤差主要是電位器采集信息的誤差。由于電位對外界的電磁干擾比擬敏感，并且受隨著時間的變化，阻值由于溫度的變化會產(chǎn)生電壓的變化，很難把電壓值定義成相應(yīng)的溫度值。因此存在這誤差。解決方法：通過軟件對電位器返回的值進行濾波，經(jīng)過屢次采集信息，然后求取平均值，這樣得到的就是誤差較小，比擬穩(wěn)定的值。四、系統(tǒng)設(shè)計4.1硬件設(shè)計1〕系統(tǒng)總體框圖2〕角度傳感器的設(shè)計角度傳感器，是一個10k的滑動變阻器，，兩端接+5電壓，滑動端接單片機P1.0口，通過單片機內(nèi)部A/D進行信息的采集系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單。但對信息采集處理的要求較大，需要軟件濾波，使得系統(tǒng)得到比擬穩(wěn)定精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。3〕電機驅(qū)動模塊的設(shè)計系統(tǒng)通過單片機的P0.0-P0.3控制L298的四個輸入端口，再通過l298N步進電機的運行，驅(qū)動電源和邏輯電源均選用+5v4)電源模塊的設(shè)計，在本系統(tǒng)中，使用兩種電源進行供電，一種是采用7805的模擬電源，，一種是開關(guān)電源，二者，各有利弊，，模擬電源穩(wěn)定性較好，當(dāng)負載發(fā)生變化時，產(chǎn)生的紋波較小，因為角度傳感器受外界的影響較大，所以，單片機和角度傳感器的電源采用模擬電源。電機控制采用開關(guān)電源進行供電，因為電機功率相對較大，模擬電源效率較低，所以采用開關(guān)電源對電機進行供電?？傮w電路電路圖1)最小系統(tǒng)：2)電源模塊3)電機驅(qū)動模塊4)控制平臺7289系統(tǒng)元件清單元件數(shù)量元件數(shù)量STC12C5A6S21步進電機1晶振24M17289控制板178052電阻假設(shè)干LM25961電容假設(shè)干78061電感假設(shè)干L2981開關(guān)、散熱片假設(shè)干電位器1其他假設(shè)干4.2軟件設(shè)計五、系統(tǒng)調(diào)試5.1硬件調(diào)試硬件分模塊進行設(shè)計、調(diào)試。1)角度傳感器的使用硬件模塊的調(diào)試主要是對角度采集的調(diào)試，，測試角度傳感器在不同位置的靈敏度，中選用adxl345時，放在平板上時，由于adxl34是用加速度來求出角度值，而在擺桿運動過程中.局部加速度充當(dāng)向心力，因此所測的值誤差非常的大，把角度傳感器放在平板上的方法不合理，選擇把角度傳感器放在擺桿的軸上，經(jīng)過屢次測試，又發(fā)現(xiàn)了新的問題，就是該角度傳感器的反響時間嚴(yán)重影響總體設(shè)計方案，經(jīng)過資料分析，選擇電位器對溫度進行采集，電位器外加+5V電壓，轉(zhuǎn)軸固定在擺桿的固定軸上，電位器外端與擺桿相接，單擺干轉(zhuǎn)動時，電位器，與擺桿同步旋轉(zhuǎn)，并將滑動觸頭端的電壓送到A/D轉(zhuǎn)換器中，A/D把采集的信息給單片機，單片機通過讀取該值來向步進電機發(fā)送相應(yīng)的指令，考慮到角度傳感器受外界的影響，選擇屏蔽線連接角度傳感器的電源，并加穩(wěn)定的電阻，從一定程度上抑制傳感器的溫漂2〕電源模塊的選擁本系統(tǒng)初步考慮兩種電源模塊，一種為開關(guān)電源，一種為常用模擬電源，經(jīng)過過屢次調(diào)試得到了兩種電源的優(yōu)缺點:模擬電源：模擬電源比擬穩(wěn)定，紋波小，受外界影響比擬小，但其利用效率比擬低開關(guān)電源，開關(guān)電源效率比擬高，但其紋波較大。綜合分析，本系統(tǒng)對電源的要求有以下兩點，一是角度傳感器的返回值必須是穩(wěn)定的電壓值，所以必須使用模擬電源，而步進電機功率相對較高，如果使用模擬電源，很容易燒壞7806，因此電機控制必須使用開關(guān)電源，所以本系統(tǒng)中，模擬電源與開關(guān)電源一起使用。5..軟件調(diào)試在軟件調(diào)試中，第一階段先把各個模塊的功能進行調(diào)試，然后對各個模塊進行整合優(yōu)化，其中包括步進電機控制模塊，7289顯示控制模塊，角度傳感器信息采集模塊。7289模塊，主控系統(tǒng)STC12C5A60S2與7289通過SPI通信協(xié)議進行通信，在前期數(shù)據(jù)的采集過程中，7289模塊發(fā)揮了很大的作用，用7289顯示顯示A/D采集的電壓信息量，然后，對數(shù)據(jù)進行整合修正，削減誤差，計算出角度與電壓的關(guān)系，為后期的數(shù)據(jù)處理提供了大量的依據(jù)，后期實驗過程中，7289作為控制平臺，通過選擇不同的按鍵，向單片發(fā)送控制指令，對單片機設(shè)置初值，進行實驗提供了很大的方便。電機調(diào)試模塊，電機調(diào)試初期方案選擇MMC-1控制芯片，但在后期的實驗過程中，經(jīng)常出現(xiàn)MMC-1，讀取數(shù)據(jù)失靈的情況，為了提高系統(tǒng)的可靠性，最終放棄對MMC-1芯片的使用，選用單片機控制L298芯片，通過L298控制步進電機的運行，在函數(shù)的編寫過程中，把步進電機的時序指令存入一個數(shù)組當(dāng)中，控制電機函數(shù)通過調(diào)用數(shù)組控制電機轉(zhuǎn)動，本系統(tǒng)設(shè)置的兩相步進電機包括三個參數(shù)，電機的轉(zhuǎn)動方向，電機的步進數(shù)以及步進電機的運行速度，對步進電機控制函數(shù)進行封裝，再接受到控制指令時，直接調(diào)用步進電機的控制函數(shù)，向其中寫入以上三個參數(shù)，電機就可運轉(zhuǎn)。角度傳感器模塊，在角度傳感器模塊的編寫過程當(dāng)中，電位器將其電壓值傳給單片機內(nèi)部集成A/D，,A/D將電壓的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，送給單片機，單片機讀到的是電壓值，通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)化，把電壓值轉(zhuǎn)化為度數(shù)，這需要前期大量的數(shù)據(jù)處理，不斷優(yōu)化程序，削減誤差，，使其較好的得到角度值軟件整體的鏈接，在調(diào)試好所有軟件之后，需要將其進行整合，據(jù)體方案是，通過定時器的掃描不斷獲取角度傳感器送來的值，然后采用軟件濾波，通過在較短時間內(nèi)采集一定的角度值，求取平均值的到此刻的角度值，將讀到的角度差值量，寫入控制指令函數(shù)中，讀取相應(yīng)的命令，并把命令發(fā)送到指定的步進電機中，步進電機接收到指令后控制平臺，在軟件編寫的過程中，最大的問題是對旋轉(zhuǎn)角度量的處理以及數(shù)據(jù)、指令的處理時間，通過測算，單擺半個周期的時間為800ms到1000ms之間，在這段時間，單片機需要不斷采集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)并發(fā)出相應(yīng)的控制指令，所以必須不斷優(yōu)化函數(shù)，使其在每個擺動那個周期內(nèi)，盡量到達數(shù)據(jù)平板與自由擺的協(xié)調(diào)控制5.3.綜合調(diào)試在綜合調(diào)試過程中，調(diào)整軟件與硬件，使其相互協(xié)調(diào)，通過對數(shù)據(jù)的處理，進行優(yōu)化，硬件反響出的一些問題，可以由軟件解決，在硬件設(shè)計系統(tǒng)中，應(yīng)盡量避軟件中的一些弊端，共同發(fā)揮軟件與硬件的優(yōu)點，通過大量實驗，不斷進行優(yōu)化，使平板和自由擺在各個實驗當(dāng)中相互協(xié)調(diào)。六、測試結(jié)果分析6.1角度與電壓量之間的關(guān)系的測試在初期實驗當(dāng)中，屢次通過量角器測試角度傳感器的偏轉(zhuǎn)角，通過7289讀取電壓值與角度的關(guān)系，聲明并使用角度轉(zhuǎn)換函數(shù)，度數(shù)電壓電壓差度數(shù)電壓電壓差40219035432455534953853150903510042338551233310545734601583511049538651893111542136702203112045635752573712548832802903313052234853223213555836通過對以上數(shù)據(jù)進行處理，及其誤差分析得出當(dāng)電壓值為每變化3.4mv時，相應(yīng)的角度變化為一度。再通過外界環(huán)境的關(guān)系量來調(diào)整系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，使其在擺動周期內(nèi)實現(xiàn)平板與自由擺的協(xié)調(diào)。6.2實驗一的測試角度值次數(shù)誤差303004