全国大学生电子竞赛设计与总结报告-基于自由摆的平板控制系统.doc

2011年全国大学生电子竞赛设计与总结报告编 号： b甲03105 题 目：_ 基于自由摆的平板控制系统 _学 校： 枣庄学院_ _ 学生姓名： _ 2011年9月3日目录摘要- 3 -一、方案论证与比较- 4 -1.1 系统设计与结构框图- 4 -1.2 方案论证- 4 -1.2.1 电源方案论证与比较- 4 -1.2.2 控制系统- 4 -1.2.3 电机驱动的方案论证与比较- 5 -1.2.4 倾角传感器的选取- 5 -二、理论分析与参数计算- 5 -2.1 增量式pid控制步进电机- 5 -三、系统硬件设计- 6 -3.1 电源电路- 6 -3.2 步进电机驱动电路- 6 -3.3 倾角传感器电路- 6 -3.4 单片机系统电路- 6 -3.5 led模组电路- 7 -3.6 液晶显示电路- 7 -3.7 1*4键盘模组电路- 7 -四、程序流程图- 7 -模式一- 7 -模式二- 7 -模式三- 7 -五、单元测试数据与结果分析- 8 -5.1 测试方法- 8 -5.2 测试数据以及数据图- 8 -5.3 测试结果分析- 9 -六、系统功能测试- 7 -6.1 基本功能测试- 7 -6.2 发挥部分测试- 8 -七、 总结与结论- 9 -参考文献- 9 -附录- 9 -附1：原器件清单- 9 -附2：系统使用说明- 10 -附3：部分源程序- 10 -附4: 电路原理图- 12 -摘要 本设计以spce061a单片机作为主控制器，结合数据采集、倾角传感器、电机驱动、led灯、液晶显示以及键盘等模块共同实现了自由摆的平板控制功能。软件部分使用c语言编写，实现了对平板的转动角度的控制。自由摆的运动为连续的过程，所以控制采用了积分分离增量式pid控制算法。整个系统模块化程度好、集成度高，充分发挥了单片机灵活、实用、控制准确的特点，并且具有有友好的人机交互界面。系统不仅完全实现了题目的基本要求，而且部分完成了题目发挥部分的要求。关键字：spce061a；平板控制系统；c语言；灵活；准确abstract the design spce061a microcontroller as the master controller, combined with the data acquisition , tilt sensor , the motor drive , led , lcd display and keyboard module is put together to achieve a free flat-panel control. software components written in c using the single-chip, to achieve the rotation angle of the control panel .because the free movement of swing control of a continuous process, so the integral control law with a separate incremental pid control algorithm .the whole system is a good degree of modularity, high integration, give full play to the microcontroller flexible, practical, precise control features, and has a friendly interactive interface .system not only required to complete all basic part of the subject, but also completed the requirements to play a part.keywords: spce061a; flat control system; c language; flexible; accurate一、方案论证与比较 1.1 系统设计与结构框图根据题目要求本系统设计的模块主要分为数据采集模块、控制模块以及电机驱动模块。系统的总体结构框图如下图1.1.1：传感器 splc061a单片机 模拟量输入通道测控对象液晶、键盘电机模拟量输出通道 传感器 图1.1.1：系统结构图 1.2 方案论证 1.2.1 电源方案论证与比较 方案一：采用1.5伏干电池。体积小，重量轻，使用灵活方便。但是不满足长时间的持续供电的要求。 方案二：采用直流稳压电源。输出精度高，032v可调，调节范围大，使用简单，但是体积重量较大，不方便携带。方案三：采用自制5v/12v直流稳压电源。能够使各模块单独供电，使系统更加稳定可靠，而且它具有体积小，重量轻，携带方便的特点。经过仔细分析比较后，我们选择方案三。 1.2.2 控制系统方案一：采用通用的51单片机作为主控制器。51单片机通用灵活、价格低廉、使用方便，但此单片机功耗较高，数据处理能力很弱，处理速度比较慢，资源不够丰富，需要扩展较多的外围电路，降低了系统的可靠性，增加了制作的难度，难以满足本设计要求。方案二：采用spce061a单片机作为主控制器。61单片机算术功能强，软件编程简洁灵活、自由度大 ，可用软件编程实现各种逻辑控制功能，且其功耗低、技术成熟，成本低廉。本系统主要是进行反馈信号的处理以及驱动电机的控制。因此我们选择方案二。 1.2.3 电机驱动的方案论证与比较 方案一：使用普通直流电机。其控制简单，利用双极性pwm即可实现调速和正、反转。但该类电机的制动能力较差，需要闭环控制速度，安装调试复杂。方案二：选择步进电机，步进电机是一种将电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的机电组件它的转角及转速分别取决于脉冲信号的数量和频率，且只有周期性的误差，因此可达到很高的控制精度，同时，步进电机还具有快速启动和停止的能力，输出力矩大、控制难度较小等优点。综合考虑我们选择方案二。 1.2.4 倾角传感器的选取用于测量和控制的传感器种类很多，本系统主要目标是保持平板工作台的平衡性，所以采用的传感器是倾角传感器。倾角传感器是一种通过把传感器相对于基准面的倾角(或倾角变化)转换为与之相对应的电信号输出，从而求出对应的倾角值的装置。现有的倾角传感器分为三类，即重力加速度的摆式倾角传感器，利用角速度积分的倾角传感器和由多个传感器组合而成的复合式倾角传感器。综合考虑我们选择用角速度积分的倾角传感器。二、理论分析与参数计算 2.1 增量式pid控制步进电机系统采用增量式pid控制算法，虽然只是原来算法上的一点改进却带来了很多优点：由于由计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可以用逻辑判断的方法去掉；由于只输出本次的增量，与初始位置无关，因而有利于实现手动到自动的无扰动切换；算式中不需要累加不会引起累计误差。通过pwm脉冲对步进电机进行调速示意图如图2.1.1所示：pid算法步进电机 平衡板 r + e u u - 图2.1.1：增量pid控制步进电机简化示意图根据香农采样定理ts/max选取采样周期ts，其中max为被采样信号的上限角频率，由增量式pid算法公式：u(k)=kpe(k)-e(k-1)+tse(k)/t1+td/tse(k)-2e(k-1)+e(k-2)可知只需储存最近三个误差采样值e(k)、e(k-1)、e(k-2)就足够完成对步进电机的控制了。其中kp为比列放大系数，t1为积分时间常数，td微分时间常数， 为积分放大系数， 为微分放大系数。三、系统硬件设计 根据题目要求自由摆平衡控制系统主要有电源、驱动电机、倾角传感器、led灯、液晶显示屏和控制器模块等构成。 3.1 电源电路 步进电机驱动电源为+12v稳压源，其电路图见附录4图3.1.1所示。单片机控制电路为+5v稳压源，其电路图见附录4图3.1.2所示。 3.2 步进电机驱动电路 步进电机驱动电路原理图（见附录4图3.2.1）所示：4路控制信号经光耦隔离后输入42bygh4417，设计通过跳线帽可将im1和im2引脚接地，以便选择激励方式，因本系统采用1/8细分激励，故不将这两脚接地；42bygh4417还可控制电机正转或反转，且能通过不能超过5khz时钟输入信号控制电机的运转速度；nfa和nfb引脚信号控制步进电机输入电流，电流大小为：i0vref/rnf，其中rnf为nf端外接电阻，系统使用0.5、2w的大功率电阻；ea为片选引脚，低电平有效， rst为复位引脚，高电平有效，d1d8为快速恢复二极管，用于泄放绕组电流。 3.3 倾角传感器电路 传感器部分，在正常工作下，传感器将测到的倾角转换为占空比不同的频率输出。电路原理图（见附录4图3.3.1）所示：mcu接口电路(图见附录4图3.3.2)所示：j1与mcu的接口部分可以方便的与spce061a连接。 3.4 单片机系统电路 spce061a 单片机最小系统图见附录4图3.4.1： 3.5 led模组电路 当指令完成时以led亮灯指示。led电路原理图见附录4图3.5.1： 3.6 液晶显示电路液晶显示屏实时的显示提示信息及自由摆与基准轴的夹角。液晶显示电路图见附录4图3.6.1： 3.7 1*4键盘模组电路 1*4键盘作为人机接口可以更方便的控制系统功能的开启，操作者可以通过按键来选择想要实现的功能。其电路原理图见附录4图3.7.1四、程序流程图 模式一：完成基本要求一五周期自由摆，偏差绝对值小于45度。 模式二：完成基本要求二和三里一枚/八枚硬币自由摆3-5周期内不掉落。 模式三：完成发挥部分激光笔照射中心位置，完成后led亮灯指示。 程序流程图以及各模式的流程图见附录4图4.1.1 及4.1.2五、测试数据与结果分析 5.1 测试方法 方法： 采用各个模块先单独进行测试，测试通过以后各个部分组合成一个系统然后对整个系统进行整体测试。首先将各个部分单独输入程序进行测试测试通过，组合成系统后输入调试好的程序进行调试。 5.2 测试数据以及数据图 数据分析图见附录4图5.2.1所示 5.3 测试结果分析 通过多次测试我们发现了系统的一些不足之处。由于轴承的摩擦、空气对板的阻力、支座的稳定性等因素系统不可能达到理想状态，但是为了减小系统整体误差我们进行了多次测量实验，已经将误差减至规定的范围内。系统在范围内已经可以稳定高效的运行。六、系统功能测试 6.1 基本功能测试测试结果及分析表格如下所示：摆杆初始倾角/度计数器计数值/次步进电机的转速 转/分60511734504217344132183631241836 8; switch(key) case 0x0010: /模式1 one(); break; case 0x0020: /模式2 *p_iob_dir=0xffff; *p_iob_attrib=0xffff; *p_iob_data=0x0000; motor_z2(165-sz)/4); break; case 0x0040: /发挥部分 *p_iob_dir=0xefff; *p_iob_attrib=0xefff; *p_iob_data=0x0000; sz=sz-210; sz=sz/1; for(h=0;h31;h+) if(sz=num1h) l=num2h; l=l/0.9; motor_z2(l-20); while(1) *p_iob_data=0x8000; delay_us2(450000); break; case 0x0080: si();break; default :break; 附4: 电路原理图 .图3.1.1：+12v电源 图3.1.2：+5v电源 图3.2.1：步进电机驱动电路