基于自由摆的平板控制系统.doc

基于自由摆的平板控制系统（B题）摘要本系统采用STC12C5A60S2单片机作为核心处理芯片，用STC12C5A60S2对电机进行对平板正转，反转的控制。平板旋转的角度由角度传感器ADXL345完成。角度量通过IIC总线接口获得，然后再通过分析和判断，再对电机进行控制转动，使的平板保持平衡，从而使硬币不掉落平板。此外，还用到显示频NOKIA5510显示倾斜角度，和语音模块ISD1420。Abstract The system uses stc12c5a60s2 monolithic integrated circuits, with a central treatment of electrical stc12c5a60s2 the flat is to reverse the control of a flat spin. the angle from the angle sensor adxl345. the angle of the interface by IIC, and then by analysis and assessment, the motor control of a flat, to balance a coin fall, thereby, not flat. in addition, it is also used to show businesses, and shows lean nokia5510 voice module isd1420. 关键词：单片机 摆动 平板 角度传感器目录摘要1第一章 系统设计及方案论证与比较31.1系统总体方案设计31.2方案的设计与论证31.2.1控制模块的选择31.2.2电机的选择31.2.3电机驱动的选择3第二章 理论分析及计算42.1平板状态测量方法42.2建模与控制方法5第三章 电路与程序设计53.1硬件电路设计53.1.1主控电路设计53.1.2步进电机驱动电路设计63.1.3角度传感器电路设计63.2软件程序设计流程7第四章 测试结果及分析74.1测试步骤84.2测试结果84.3结果分析8结 束 语9附件一 完整的电路原理图10附件二 测试结果12附录三 重要的源程序13第一章 系统设计及方案论证与比较1.1系统总体方案设计根据题目给定的条件，我们设计的方案总体上由单片机系统模块，电机控制模块，语音模块和传感器模块四部分组成。单片机系统由复位电路和电源电路组成。传感器模块由角度传感器组成，它将测量到的角度发送给单片机系统分析，从而使单片机系统控制电机转动。系统框图如图B-1。 图B-1 系统框图1.2方案的设计与论证1.2.1控制模块的选择方案一：使用89C51单片机该单片机有5个中断口，1个串口，2个定时器，缺点是反应速度比较慢。方案二：使用STC12C5A60S2单片机该单片机由9个中断口，有2个串口，具有独立波特率发生器，内部扩展RAM，速度是传统单片机的12倍。分析两个方案，本系统采用第二种方案。1.2.2电机的选择方案一：使用直流电机直流电机具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，较高的效率，优异的动态特性。但是直流电机位置控制难度大，难以达到较高的控制精度。方案二：使用步进电机步进电机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转换成相应的角位移（或线位移）。步进电机的动态响应快，易于起停，正反转及变速。在非超载的情况下，它的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累计误差等特点，使得它可以达到很高的控制精度，且控制难度要比直流电机小得多。分析两个方案的优缺点，本系统采用第二种方案。1.2.3电机驱动的选择方案一：采用步进电机专用的驱动器此方案能为步进电机提供稳定的工作电压和工作电流。但是其价格十分昂贵，重量较大，而对于本系统电机不需要带大负载，也对驱动器没有过高的要求。方案二：采用ULN2003A电机驱动芯片ULN2003A可方便驱动步进电机，且外围电路简单、原件少、重量轻，造价便宜且方便。但是它只能驱动四相步进电机。如果用于驱动直流电机的话只能按一个方向转动，换向要改变电机的接法。方案三：采用专用集成电路芯片L298用集成电路芯片L298驱动电机，它电子开关的速度快，稳定性强，且它的外围器件成本低，使整机可靠性提高。适合驱动二相或四相的步进电机。该芯片有两个TTL/CMOS 兼容电平的输入，配合PWM技术，具有良好的抗干扰性能。分析三个方案，我们选用第三方案。第二章 理论分析及计算2.1平板状态测量方法该平板状态测量要求较高的分辨率，所以我们使用的是双轴倾斜测量。测量方法如图B-2。 图B-2双轴倾斜测量的首要优势来是两轴的垂直关系。随着某个轴的增量灵敏度的降低，另一轴的增量灵敏度会增加。如图B-3。 图B-3双轴倾斜测量第二优势是对重心面对齐度的依赖性降低，因为有效增量灵敏度与目标轴重力的和平方根值具有比例关系。双轴倾斜测量第三优势是全角度360检测，如图B-4。 图B-42.2建模与控制方法 摆杆上和平板上一共两个角度传感器，将摆杆上的角度传感器测出摆杆的角度设为x，平板上的角度传感器测出的平板角度设为y。如图B-5。再由几何图形的角度运算得出以下关系： 当摆杆在中心右侧时为当摆杆在中心左侧时为 第三章 电路与程序设计3.1硬件电路设计3.1.1主控电路设计主控电路设计如图B-6所示，系统中采用一片STC12C5A60S2作为主控制芯片。 图B-6 主控电路3.1.2步进电机驱动电路设计步进电机驱动电路设计与实现，如图B-7所示。 图B-7 步进电机驱动电路3.1.3角度传感器电路设计角度传感器电路设计与实现，如图B-8所示。 图B-8 角度传感器电路3.2软件程序设计流程软件流程图如图B-9显示。 图B-9 软件流程图第四章 测试结果及分析测试仪器有：直尺，量角器和秒表。4.1测试步骤1）我们用秒表计算摆杆摆动周期。2）用量角器量出摆杆的起始摆动角度，并记录实验数据。3）用直尺测量激光笔照射靶子上的光斑离靶子上中心线的距离，并记录下来。4.2测试结果根据题目要求，我们做了一下测试，并记录一些实验结果。如表B-1。实验项目实验次数1实验次数2实验次数3摆杆摆动一周期，平板转动一周平板转动误差1000在平板上放上一枚硬币，摆动时滑落平板中心的距离滑落平板中心距离当摆杆为30当摆杆为35当摆杆为452cm4cm 5cm摆杆摆定角度，在平板上放8枚硬币，摆动时滑落硬币数硬币掉落数当摆杆为45当摆杆为55当摆杆为60306 450摆杆摆定角度，在一定时间内，激光笔的光斑照到靶子上离中心线的距离靶子上光斑离中心线的距离当摆杆为30当摆杆为45当摆杆为600cm2cm1cm表B-14.3结果分析经过本次试验结果，我们发现影响系统性能的因素除电路设计外，主要还有还有以下几点：1）角度传感器的安装位置，对其检测效果的影响很大。2）控制算法，PID参数直接决定系统是否稳定，影响系统的控制精度。结 束 语经过这些天的比赛，我们在硬件上与软件上实现了题目的各项要求。在硬件上我们应用到传感器的调制技术，用PWM技术的使用则解决了电动机驱动的效率问题。还添加了语音和显示屏，使硬件更加生动。在软件上，我们灵活使用单片机STC12C5A60S2，使它完成了步进电机的驱动和传感器的使用。很好的完成题目的各项要求。附件一 完整的电路原理图 电机驱动电路 单 片 机 最 小 系 统 角度传感器 语音模块 显示模块附件二 测试结果1、摆杆摆动一周期，平板转动一周，记录平板转动误差。次数平板实际转动角度误差1 360 102 360 03 360 02、在平板上放上一枚硬币，摆动时滑落平板中心的距离。次数摆杆摆定的起始角度滑落平板中心距离1 302cm2 354cm3 404cm4 45 5cm3、摆杆摆定角度，在平板上放8枚硬币，摆动时滑落硬币数。次数摆杆摆定的起始角度掉落的硬币数1 45 32 45 03 45 04 55 65 55 46 55 07 60 58 60 59 60 04、摆杆摆定角度，在一定时间内，激光笔的光斑照到靶子上离中心线的距离。次数摆杆摆定的角度光斑偏离中心线的距离1300cm2351cm3400cm4452cm5501cm6551cm7601cm附录三 重要的源程序void main(void)unsigned char coin_flag=0;unsigned char LCD_contrast = 0xbe;/此值对比度合适unsigned char read_angle_flag=0;key1=1;key2=1;key3=1;key4=1;P4SW=0x70;/*0bx111xxxx,将P4.4、P4.5、P4.6设置为I/O脚*/P4M1=0x00;/*0b00000000,设置P4.4、P4.5、P4.6为准双向口*/P4M0=0x00;/*0b00000000*/Init_ADXL345(); /初始化ADXL345 LCD5510_Init();LCD_clr_scr();/清屏delayms(200);LCD_showsh(0, 0, 倾角);LCD_prints8x16(4,0,:);start_sys(); /启动系统 。语音while(1) /循环 if(key1=0)/修正到水平 correct_angle(88);key1=1;elseif(key2=0) /转360 key2=1;while(ir_key1=1);/先拉杆 红外为高时，等待turn_360();/3周turn_360();turn_360();if(key3=0) /硬币30unsigned char i;key3=1; while(ir_key1=1);/先拉起红外为高时，等待 for(i=0;i6;i+) /先拉杆 置红外对管，再开启开关，高 变 低 fan_zhou();if(key4=0) /硬币60unsigned char i;key4=1; while(ir_key2=1);/先拉起红外为高时，等待 for(i=0;i7;i+) /先拉杆 置红外对管，再开启开关高 变 低 fan_zhou();if(key5=0|k4=1)/静态激光key5=1;k4=1;ET0=1;if(key5=0) read_angle_flag=1;read_angle(); /读取角度。语音ledok=1;static_light(); LCD_printn8x16(5, 0, turn_y, 3);if(flag=1&key4=0) correct_light();/校准激光。语音switch(turn_y)case 30:zhengzhuanquan(49);ledok=0;light_complete();break;case 35:zhengzhuanquan(57);ledok=0;light_complete();break;case 40:zhengzhuanquan(68);ledok=0;light_complete();break;case 45:zhengzhuanquan(82);ledok=0;light_complete();break;case 50:zhengzhuanquan(96);ledok=0;light_complete();break;case 55:zhengzhuanquan(108);ledok=0;light_complete();break;case 60:zhengzhuanquan(119);ledok=0;light_complete();break;if(flag=2&key4=0) /zuo switch(turn_y) case 30:fanzhuanquan(52);ledok=0;light_complete();break;case 35:fanzhuanquan(53);ledok=0;light_complete();break;case 40:fanzhuanquan(64);ledok=0;light_complete();break;case 45:fa