吉林省大学生电子科技竞赛

1、2016年吉林省大学生电子设计竞赛多电机悬吊控制系统（G题）【本科组】2016年9月3日摘 要 本系统以C8051F040单片机为核心，加以步进电机驱动、OCMJ5X108液晶显示屏、键盘、超声波发声器、陀螺仪数据采样系统等电路组成，建立了1个由4个电机滑轮同时控制漏斗完成指定动作的机械系统。此系统良好地建立了步进电机脉冲数与所完成指令的各个参数之间的模型关系。模型中忽略了次要因素，保留了主要因素，实施较为容易简便。该装置使用了HC-SR04超声波发声器和陀螺仪，在实行的时候对精确度有一定保障。该设计较好实现了多电机悬吊控制系统的所要求的功能。目 录1系统方案11.1 电机驱动模块的论证与选择

2、11.2 漏斗水平调节模块的论证与选择11.3 控制系统的论证与选择12系统理论分析与计算12.1 漏斗上下移动模型的分析22.1.1 脉冲数与收放量的关系22.1.2 脉冲周期数与距地面高度的关系式22.2 光束左右水平移动和倾斜角度的分析与计算23电路与程序设计23.1电路的设计23.1.1系统总体框图23.1.2 马达驱动模块子系统框图与电路原理图33.1.3 键盘输入模块子系统框图与电路原理图33.1.4电源模块4 3.1.5电源.43.2程序的设计43.2.1程序功能描述与设计思路43.2.2程序流程图54测试方案与测试结果54.1测试方案54.2 测试条件与仪器64.3 测试结果及

3、分析64.3.1测试结果(数据)64.3.2测试分析与结论6附录1：电路原理图7附录2：源程序8多电机悬吊控制系统（G题）【本科组】1 系统方案本系统主要由电机驱动模块、调节模块和控制模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1 电机驱动模块的论证与选择方案一：使用直流电机进行驱动，使输入输出为直流电能。方案二：使用交流电机进行驱动，使输入输出为交流电能。方案三：使用步进电机进行驱动，将电脉冲转化为角位移。由于本题对于细绳的伸缩量精度和漏斗定位要求极高，因而电机的转速和旋转角度必须是良好可控的。使用步进电机，当步进驱动器收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向旋转一个固定的角度（及步进

4、角）。可通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。而两外两种电机受到电压的控制，给电即转动，无法达到较好的控制效果。因此选择步进电机作为本方案的驱动电机。1.2 漏斗水平调节模块的论证与选择方案一：重力感应器的信息作为调节漏斗水平的标准。方案二：采用陀螺仪对漏斗的倾斜度做一个标定。对于普通的重力感应器，首先精度达不到题目给定的要求。其次，重力感应器只能在垂直状态下才能显示出运行状态，局限性较大。对于陀螺仪来说，竖直方向和水平方向上均可以反映出漏斗的运行状态，准确度较高，且方便便宜，经济性良好。所以使用陀螺仪

5、来作为衡量漏斗是否水平的仪器,即方案二。1.3 控制系统的论证与选择方案一：以C8051F310单片机作为主控制系统此单片机控制系统AD和DA转换位数为10位，储存空间相对较小，且运行速度较慢，不适宜运用到此方案中。方案二：以C8051F040单片机作为主控制系统芯片上有1个12位多通道ADC，2个12位DAC，2个电压比较器，1个电压基准，1个32可B的FLASH存储器，与MCS，51指令集完全兼容的高速CIP，51内核，峰速值可达25MIPS。CIP-51采用流水结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。标准8051中，几乎所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟

6、频率为12-24MHz。而对于CIP-51内核，70%的指令执行时间为1或2个系统时钟周期，对指令的执行效率有了很大的提升，故选择了C8051F040单片机。2 系统分析理论与计算2.1 漏斗上下移动模型的分析与计算 2.1.1 脉冲数与收放量的关系 题目中要求需要保持圆盘水平，并且上下移动到指定位置，立体图如图所示。则四个步进电机驱动应做同样动作。首先考虑电机的转速问题。方案中采用的是步进电机，思路为确定给予脉冲与收放线长度的关系。此类电机收到8个脉冲数转动角度为0.7度，将每8个脉冲数看做一个周期，加之本方案采用的滑轮半径R为2.5cm，可得出收到8个脉冲数时收放线长度的计算公式如公式（1

7、）。=0.03cm(1)2.1.2 脉冲周期数n与0点距地面高度y的关系式升降图如图1所示测得漏斗的高度为h=18cm，电机距地面高度为H=68cm，初始线长为L初=50cm（从O点距地面20cm处开始），漏斗悬吊处距距横梁的水平距离XL=29cm，则可得出n与y的关系式如公式（2）。(2)以y为自变量，n为因变量，即可得出y关于n的函数关系式如公式（3）。(3)通过此函数关系式即可输入指定高度让单片机转化为脉冲使电机执行。 图1 漏斗升降三维和二维示意图2.2 光束左右水平移动和倾斜角度的分析与计算由于漏斗的运动过程较为复杂，既有横向也有纵向，还有一定的倾斜角度，显然不适合建立数学关系式来完

8、成。对此本方案采用了ADXL345数据采样器，经过系统控制数据采样使移动距离更加精确。3 电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1 系统总体框图如图所示，分为8大模块，分别是陀螺仪采样模块、超声波采样模块、键盘输入模块、控制模块、马达驱动模块、液晶显示模块、警报模块、电源模块。下面重点给出主要模块电路图。图2 系统总体框图3.1.2马达驱动模块子系统框图与电路原理图1.马达驱动子系统框图图3 马达驱动子系统框图2.马达驱动子系统电路图4 马达驱动子系统电路3.1.3 键盘输入模块子系统框图与电路原理图1.键盘输入子系统框图图5 键盘输入子系统框图2.键盘输入子系统电路 图6 键盘输入子系统电路

9、图3.1.4电源模块电路图7 电源模块电路图3.1.6.电源 电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供或者电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管，故不作详述。3.2 程序设计3.2.1 程序功能描述与设计思路1.程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。2.键盘实现功能：设置装置上升和下降、向左和向右移动的距离，启动装置。3.显示部分：显示装置上下左右移动的距离，漏斗倾斜的角度。3.2.2程序流程图1.主程序流程图图8 主程序流程图2.马达驱动子程序流程图图9 马达驱动子程序流程图4 测试方案与测试结果4.1 测试方案4.1.1 硬件测

10、试1.传感器采样部分调试使用示波器和电压表观察采集角度传感器的输出，调整比较器的参考电压和低通滤波的时间常数，使输出达到要求。2.陀螺仪的调试调整参数，尽量抑制角速度零点漂移。3.超声波装置的调试在规定范围内利用超声波装置测距并得出其测量小角度，尽量减小误差。电机运行调试掌握电机转过的圈数和设定的脉冲数之间的联系，尽量减小误差。4.1.2 软件仿真测试本程序采用C51语言编写，分模块进行调试。先将几大模块的电路分别调试，确认无误后再调试整个系统。调试时也可方便硬件的调试，一举两得。4.1.3硬件软件联调在软件调试和硬件调试进行完之后，进行软硬件联调的方式，再进行改善和优化。4.2 测试条件与仪

11、器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。4.3 测试结果与分析4.3.1 测试结果（数据）12345678设定上下移动距离上移5cm上移10cm上移15cm上移20cm下移5cm下移10cm下移15cm下移20cm实际上下移动距离4.7cm9.5cm14.6cm19.8cm4.6cm10cm14.9cm19.7cm上下移动距离误差0.3cm0.5cm0.4cm0.2cm0.4cm0cm0.1cm0.3cm设定左右移动距离左移5cm左移10cm左移15cm左移2

12、0cm右移5cm右移10cm右移15cm右移20cm实际左右移动距离5cm10.2cm14.8cm20.2cm5.2cm9.9cm15cm19.9cm左右移动距离误差0cm0.2cm0.2cm0.2cm0.2cm0.1cm0cm0.1cm设定偏斜角度10度20度30度40度50度60度实际偏斜角度8度22度34度43度46度55度偏斜角度误差2度2度4度3度4度5度表1 测试数据表4.3.2 测试分析与结论本系统以C8051F040D单片机为核心，通过建立起精密的数学模型和使用陀螺仪、超声波发生器等数据采样装置，使漏斗完成了题目要求的一系列动作。系统的基本功能和移动距离控制范围与精确度基本达到

13、要求。本装置如将受重力影响等的不稳问题加以改善，可使精确度进一步提高。附录一.电路原理图附录2.源程序#include <iic_analog.h>#include <MPU6050.h>#include <intrins.h>sbit TRIG = P17;sbit ECH0 = P16; signed int idata ACCELdata3; signed int idata GYROdata3; uchar ACCEL_data6; uchar GYRO_data6;unsigned char idata Sbuf32; unsigned long

14、S=0;void UART0_Init(void);/void UART0_Interrupt(void);void OSCILLATOR_Init(void);void PORT_Init(void);void Delay1ms(uint c); void StartModule();void Conut(void);void main(void)/uchar i;SFRPAGE = CONFIG_PAGE; WDTCN = 0xDE; / Disable watchdog timer WDTCN = 0xAD; OSCILLATOR_Init(); / Initialize oscilla

15、tor PORT_Init(); / Initialize crossbar and GPIO UART0_Init(); / Initialize UART0 SFRPAGE = TIMER01_PAGE; TMOD = 0x01; CKCON = 0x08; / EA = 1;Delay1ms(100); StartModule(); while(!ECH0);/当RX为零时等待SFRPAGE = TIMER01_PAGE;TR0=1; /开启计数while(ECH0);/当RX为1计数并等待TR0=0;/关闭计数Conut(); while (1) SFRPAGE = UART0_PAG

16、E;SBUF0 = S; while(!TI0);TI0=0; Delay1ms(1000); void Conut(void)uchar time; time=TH0*256+TL0; TH0=0; TL0=0; S=(time*1.7)/100; /算出来是CM void StartModule() /启动模块 TRIG = 1; /启动一次模块 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); TRIG = 0; void OSCILLATOR_Init(void) int i; / Software timer char SFRPAGE_SAVE = SFRPAG

17、E; / Save Current SFR page SFRPAGE = CONFIG_PAGE; OSCXCN = 0x67; for (i = 0; i < 3000; i+); / Wait 1ms for initialization while (OSCXCN & 0x80) = 0); CLKSEL = 0x01; OSCICN = 0x00; SFRPAGE = SFRPAGE_SAVE; / Restore SFRPAGE/-/ PORT_Init/-/ Return Value : None/ Parameters : None/ This function c

18、onfigures the crossbar and GPIO ports./ Pinout:/ P0.0 digital push-pull UART TX/ P0.1 digital open-drain UART RX/ P1.6 digital push-pull LED/-void PORT_Init(void) char SFRPAGE_SAVE = SFRPAGE; / Save Current SFR page SFRPAGE = CONFIG_PAGE; / Set SFR page P0MDOUT = 0x03; / Set TX pin to push-pull P1MD

19、IN = 0x3F; P1MDOUT = 0xC0; XBR0 = 0x04; / Enable UART0 XBR1 = 0x00; XBR2 = 0x40; / Enable crossbar and weak pull-up SFRPAGE = SFRPAGE_SAVE; / Restore SFR page/-/ UART0_Init Variable baud rate, Timer 2, 8-N-1/-/ Return Value : None/ Parameters : None/ Configure UART0 for operation at <BAUDRATE> 8-N-1 using Timer2 as/ baud rate source./-void UART0_Init(void) char SFRPAGE_SAVE; SFRPAGE_SAVE = SFRPAGE; / Preserve SFRPAGE SFRPAGE = TMR2_PAGE; TMR2CN = 0x00; / Timer in 16-bit auto-reload up timer mode TMR2C