毕业设计（论文）-自适应平衡调整系统的研制毕业设计.doc

目 录 摘 要1关键词11系统方案确定21.1题目解析21.2系统总体设计方案41.2.1单片机处理模块设计41.2.2传感器模块设计51.2.3驱动模块设计81.2.4驱动电机92理论分析与计算92.1平板状态测量92.2自由摆运动周期分析92.3自由摆运动过程分析92.4激光照射模块103电路的分析与计算113.1单片机处理模块电路设计113.2角度信号采集电路设计133.3信号补偿电路设计143.4驱动电路设计163.4.1H桥驱动电路163.4.2使能控制和方向逻辑184系统程序设计204.1角度传感器程序设计205测试结果与结论215.1调试方法与仪器215.2测试数据完整性216结束语23参考文献23致 谢24附录24 自适应平衡调整系统的研制 摘 要：系统由驱动部分和控制部分组成，驱动部分采用H桥驱动，控制部分由ARM单片机STM 32、角度探测与采集电路、误差补偿电路、接收信号电路与发射信号电路组成。整个系统由传感器部分作为主要控制部分，调整部分为受控部分，受传感器的控制，使放在平板上的硬币和激光笔保持平稳。电路用陀螺仪进行角度的探测，用SPI和I2C总线通信，每个环节都配有必要的反馈、前馈和保护电路，角度探测电路就配有过压保护和过流保护，ARM 单片机上面同样配有过压保护和限流保护，而且使用的是外部晶振，有足够的能力对系统里面的数据进行运算。本系统成本低，通信模块稳定，控制部分功耗低廉，电源利用率高，满足设计要求。 关键词：H桥驱动电路；STM32ARM单片机；陀螺仪；外部晶振；The Research of Adaptive Balanced System Abstract: The system was consisted of the driving parts and control parts, with the H-bridge driver forcing the driving part. Exactly, the control sections were composed of the ARM microcontroller STM 32, the angle of detection and data acquisition circuit, error compensation circuit, the circuit of the received signal and the emission signal circuit. The sensor parts were the mainly controlled by the operation sections of the system to manage other adjusting parts. Handled by the sensor, the coins on the plate, and laser pointer were available of remaining stable. SPI and I2C bus communication was used to transmit the date from Angle detection circuit gyroscope, with detection circuits for the over voltage and over current protection. Similarly, ARM MCU was also capable of over-voltage protection and current limiting protection. Moreover, it was equipped with an external crystal, which had sufficient caliber to operate the system. Overall, this system was obtaining the stability of the communication module, economical, and efficiently, which met the requirements.Key words: H-bridge driver circuit; STM32ARM microcontroller; gyroscope; external crystal;1 系统方案确定1.1 题目解析根据命题要求，设计并制作一个基于自由摆的平板控制装置，实现对平板上放置物品所处的角度进行正确调整。该装置由1个H桥驱动电路和基于STM 32 ARM单片机的控制电路组成。控制电路用陀螺仪来进行角度的探测与采样。主要性能指标有：（1）制造1个硬币单摆机械结构如图1和1个激光笔单摆机械结构如图2所示，机械结构的精度要求上面的支撑轴与摆杆的垂直度误差不能超过0.5，摆杆与电机轴的垂直误差也不能超过0.5。（2）设计一个角度传感器，此角度传感器的误差也不能超过0.5，信号反馈延迟时间不能超过1ms 。（3）设计一个驱动电路，此驱动电路的效率要达到95%，驱动管不能发热。（4）设计一个反馈电路，反馈当前角度反馈是否正确，并进行实时补偿，保证反馈信息正确率99%以上。图1 硬币摆动机械结构图Figure 1 Coins oscillating mechanical structure of Figure摆杆摆动时其角速度随公式变化，公式为：=arctan(y / z) (1)：变化角速度y ：y轴角速度变化z ：z轴角速度变化图2 激光笔对线机械结构图Figure 2 Laser pointer on the line mechanical structure diagram1)主控系统选择方案一：使用传统51单片机作为主控制器，价格低廉，但其运算速度慢，片内资源少，存储容量小，难以实现复杂的算法。方案二：使用FPGA，CPLD等大规模可编程逻辑控制器件，其时钟频率很高，运算速度很快，但不适合于该题目。方案三：选用STM 32 ARM单片机作为主控制器，控制通信模式的选择，以及传感器的数据发送与接收方案比较：由于STM 32 ARM单片机性能强劲。在相同的主频下能做处理更多的任务，全力支持劲爆的程序设计。功耗低。实时性好。采用了很前卫甚至革命性的设计理念，使它能极速地响应中断，而且响应中断所需的周期数是确定的。 代码密度得到很大改善,一方面力挺大型应用程序，另一方面为低成本设计而省吃俭用。STM 32 ARM单片机使用更方便。现在从8位/16位处理器转到32位处理器之风刮得越来越猛，更简单的编程模型和更透彻的调试系统，为与时俱进的人们大大减负。 低成本的整体解决方案。 综合比较，选择方案三。2)角度测量方案一：使用双轴倾角传感器SCA103T-D04，测量范围为15度，可适用于垂直方向的各种角度的测量。方案二：使用电位器作为角度传感器，由于不同角度输出的电阻值不同，通过AD采样电阻两端电压，计算得到角度。方案三：传感器模块选用L3G4200D陀螺仪进行角度的探测与采集，通过单片机的不同模式对陀螺仪的数据进行接收、处理，然后发送给陀螺仪，使陀螺仪对角度进行进一步的矫正。方案比较：对于方案一，虽然SCA103T精度较高，但它是基于加速度原理进行测量，使用SCA103T进行倾角检测时，应保证被测设备匀速运动，否则会引进误差，而在自由摆系统中，平板不是匀速运动。虽然可以采用峰值滤波和一阶惯性滤波相结合的方式通过软件编程进行处理，但较繁琐。对于方案二，对于一般的电位器，线性度较差，而对于线性度较好的电位器，如22HP-10等。对于方案三，L3G4200D陀螺仪是三轴共用一个感应结构，这一突破性概念可以消除轴与轴之间的信号干扰，避免输出信号受到干扰信号的影响。L3G4200D陀螺仪量程范围从 250 dps 到 2000 dps，低量程数值用于高精度慢速运动测量，而高量程则用于测量超快速的手势和运动。这款器件提供一个16位数据输出，以及可配置的低通和高通滤波器等嵌入式数字功能。就算时间推移或温度变化，这款器件仍然保持连续稳定的输出。内置数字输出的L3G4200D 3轴MEMS陀螺仪的设计和制造采用意法半导体销售量超过6亿支的运动传感器的制程技术。综合考虑，选择方案三测量自由摆运动过程中的摆角。3)电机选择方案一：使用伺服电机作为执行元件，运行精确，能高速制动，惯量小，适合闭环控制。方案二：使用步进电机作为执行元件，由于步进电机是采用脉冲驱动，精度较高，适合开环控制。方案比较：因步进电机达不到系统所要求的精度，失步会引起控制误差，而且其转速太慢，而伺服电机的高精度特点就很容易满足要求，所以最终选择了伺服电机。综合考虑，选择方案一。1.2 系统总体设计方案根据试题的要求，设计需要由三个部分组成：一是单片机处理模块，二是角度传感器模块，三是驱动模块。下面分别从这三个方面阐述方案的设计思想。1.2.1 单片机处理模块设计单片机处理模块的CPU我们准备了3个方案，分别是51单片机、AVR单片机、ARM单片机，后来考虑到51单片机和AVR单片机不能满足此单摆系统对精度方面的要求，而且51单片机和AVR单片机程序内存flash也不够，不能完全存储单摆系统的所有程序，所以选择ARM单片机STM 32。STM 32 ARM内部晶振3.3V调压5V调压12V调压24V电源供电角度传感器工作模式选择图3 单片机处理模块设计方框图Figure 3 Single-chip processing module design block diagram单片机处理模块设计方案如图3所示单片机模块，选用STM 32 ARM单片机作为主控制器，控制通信模式的选择，以及传感器的数据发送与接收。使用L3G4200D陀螺仪作为角度传感器，经AD采样，读取当前自由摆的角度值。使用红外收发管检测是否松开了摆杆，若检测到高电平，说明手已经松开，触发中断，此时的AD采样值即为起始摆角。使用补偿电路，矫正陀螺仪在采集数据时的失真。采用前馈控制系统，通过控制器控制步进电机的运动，使其运动达到要求。同时，可以在LCD显示一些测量数据和功能列表，供用户选择，同时LED灯在一些功能中也会点亮。1.2.2 传感器模块设计陀螺仪是利用各种原理制成的角运动检测装置，大多数陀螺仪利用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。在现实生活中，陀螺仪发生的进给运动是在重力力矩的作用下发生的。陀螺仪被广泛用于航空、航天和航海领域。这是由于它的两个基本特性：一为定轴性（inertia or rigidity），另一是进动性（precession），这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。 定轴性 当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定的方向；同时反抗任何改变转子轴向的力量。这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或稳定性。其稳定性随以下的物理量而改变： 1)转子的转动惯量愈大，稳定性愈好； 2)转子角速度愈大，稳定性愈好。 所谓的“转动惯量”，是描述刚体在转动中的惯性大小的物理量。当以相同的力矩分别作用于两个绕定轴转动的不同刚体时，它们所获得的角速度一般是不一样的，转动惯量大的刚体所获得的角速度小，也就是保持原有转动状态的惯性大；反之，转动惯量小的刚体所获得的角速度大，也就是保持原有转动状态的惯性小。 进动性 当转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动；若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。这种特性，叫做陀螺仪的进动性。进动角速度的方向取决于动量矩H的方向(与转子自转角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向，而且是自转角速度矢量以最短的路径追赶外力矩。如右图。 进动方向这可用右手定则判定。即伸直右手，大拇指与食指垂直，手指顺着自转轴的方向，手掌朝外力矩的正方向，然后手掌与4指弯曲握拳，则大拇指的方向就是进动角速度的方向。 进动角速度的大小取决于转子动量矩H的大小和外力矩M的大小,其计算式为进动角速度=M/H。 进动性的大小也有三个影响的因素： 1)外界作用力愈大，其进动角速度也愈大； 2)转子的转动惯量愈大，进动角速度愈小； 3)转子的角速度愈大，进动角速度愈小。现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中 陀螺仪广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。1976年 等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式的振动陀螺仪，集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。 现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。塞格尼克理论的要点是这样的：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，就可以制造出干涉式光纤陀螺仪，如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。从这个简单的介绍可以看出，干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小，所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度，而谐振式的陀螺仪在实现干涉时，它的光程差较大，所以它所要求的光源必须有很好的单色性。从本次设计的目的出发我们选用L3G4200D陀螺仪。该品种的陀螺仪是意法半导体(ST)，推出一款业界独创、采用一个感应结构检测三条正交轴向运动的3轴数字陀螺仪。这种创新的设计概念大幅提升运动控制式消费电子应用的控制精度和可靠性，为设备的用户界面实现前所未有的现场感。现有的3轴陀螺仪解决方案依赖两个或三个独立的感应结构，顶多是在同一硅基片上；而意法半导体的陀螺仪则是三轴共用一个感应结构，这一突破性概念可以消除轴与轴之间的信号干扰，避免输出信号受到干扰信号的影响。此外，这个创新的产品架构使意法半导体的工程师将传感器与ASIC接口整合在一个4x4x1mm的超小封装内，解决现在和未来的消费电子应用的空间限制问题。它让用户可以设定全部量程，量程范围从 250 dps 到 2000 dps，低量程数值用于高精度慢速运动测量，而高量程则用于测量超快速的手势和运动。这款器件提供一个16位数据输出，以及可配置的低通和高通滤波器等嵌入式数字功能。就算时间推移或温度变化，这款器件仍然保持连续稳定的输出传感器模块电路设计方案如图4所示，传感器模块选用L3G4200D陀螺仪进行角度的探测与采集，通过单片机的不同模式对陀螺仪的数据进行接收、处理，然后发送给陀螺仪，使陀螺仪对角度进行进一步的矫正。L3G4200D陀螺适用于汽车工业、惯性导航、计算机、机器人、军事等急需大量小型、廉价陀螺的应用领域，是国防、工业发展中必不可少的仪器。但是，L3G4200D陀螺仪在实际应用中达不到需要的精度，为了提高陀螺仪系统工作性能和测量精度，对陀螺仪进行数据采集并减小误差是至关重要的。陀螺仪在采集数据的过程中设计了补偿电路，矫正陀螺仪在采集数据时的失真，此补偿电路采用MMA8451Q加速度计(传感器)进行矫正失真。 数据探测数据采集数据发送数据接收单片机图4 传感器模块设计方框图Figure 4 Sensor module design block diagram1.2.3 驱动模块设计驱动模块电路设计方案如图5所示，驱动模块选用全对称的H桥进行驱动，这样就提高了驱动电路的精度，而且使用电流传感器进行实时反馈输出电流，已使输出电流稳定，并且使用HIP4082IB sop16芯片和H桥配合驱动负载。H桥驱动芯片单片机负载电流传感器图5 驱动模块设计方框图Figure 5 Drive module design block diagram1.2.4 驱动电机有关驱动电机的选择，我们考虑了两种方案：一种是步进电机、一种是伺服电机。因步进电机达不到系统所要求的精度，失步会引起控制误差，而且其转速太慢，而伺服电机的高精度特点就很容易满足要求，所以最终选择了伺服电机。2 理论分析与计算2.1 平板状态测量初始时，平板与摆杆垂直，如图6所示。逆时针移动摆杆，由旋转编码器可以测得摆杆与垂直的角度，由按键逐步调整平板角度，由控制器予以记录，平板顺时针转动了，此时平板与水平面夹角为=。图6 平板状态示意图Figure 6 Tablet state diagram2.2 自由摆运动周期分析对于理想单摆，当角很小时，单摆的周期 ，但该设计中，起始摆角范围为3060，该公式不再适用，故采用经验建模，求取拟合曲线。使用matlab进行拟合，如图7所示：拟合曲线为：，其中x为起始摆角，y为自由摆运动5个周所用时间。选取20，30,40,45,50,60作为起始摆角，用示波器记录自由摆运动5个周期所用的时间，如表1所示：2.3 自由摆运动过程分析自由摆AB从自然下垂状态逆时针摆动后到达处，如图6所示。假设平板与水平面夹角为，做辅助线，则，对平板上的一枚硬币进行受力分析，易知，由于硬币摩擦系数极小，摩擦力忽略不计。由于整个平板沿CD方向的加速度为，为了使硬币不从平板上滑离，硬币沿CD方向的加速度 (2)联立以上各式，可知= 即自由摆在运动过程中，平板应与摆杆始终保持垂直。图7 MATLAB拟合示意图Figure 7 MATLAB fitting schematic表1摆角-时间关系表Table 1 Swing angle - time table起始摆角203040455060时间（s）9.459.609.689.689.739.922.4 激光照射模块AB为自由摆，长度为100cm，若逆时针旋转后位置为，如图8所示。为了使激光笔照射到中心线上，步进电机需要顺时针旋转角度，计算如下： (3) (4) (5)若顺时针旋转后位置为，如图9所示。为了使激光笔照射到中心线上，步进电机需要顺时针旋转角度，计算如下： (6) 图8激光笔照射示意图Figure 8 Laser pointer exposure schematic图9 步进电机旋转示意图Figure 9 Stepper motor rotation angle diagram3 电路的分析与计算3.1 单片机处理模块电路设计单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。 1）通用型/专用型 这是按单片机适用范围来区分的。例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。 2）总线型/非总线型 这是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、 数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。 3）控制型/家电型 这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算 能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。 显然，上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件存储器中。存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。 程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC之中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。为了符合本次自适应平衡调整系统我们采用STM 32 ARM单片机STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz10。整个系统的控制模块主要由STM 32 ARM单片机最小系统构成，如附图一所示。3.2 角度信号采集电路设计角度信号采集电路如图10所示。本设计系统采用陀螺仪对角度信号进行数据采集，根据陀螺仪对大地引力的感应，通过对大地引力角度的偏差感应，使陀螺仪内部电容的发生变化，从而产生电信号，然后传给单片机进行信号的处理，让单片机做出相应的反应来控制输出，达到调整平板角度的目的。意法半导体（ST）近日推出一款业界独创、采用一个感应结构检测3 条正交轴向运动的3 轴数字陀螺仪L 3 G 4 2 0 0 D 。这种创新的设计概念大幅提升运动控制式消费电子应用的控制精度和可靠性，为设备的用户界面实现前所未有的现场感。现有的3轴陀螺仪解决方案依赖两个或3个独立的感应结构，顶多是在同一硅基片上；而意法半导体的陀螺仪则是3轴共用一个感应结构，这一突破性概念可以消除轴与轴之间的信号干扰，避免输出信号受到干扰信号的影响。此外，这个创新的产品架构使意法半导体的工程师将传感器与ASIC接口整合在一个4mmx4mmx1mm的超小封装内，解决现在和未来的消费电子应用的空间限制问题。意法半导体的3轴数字陀螺仪让用户可以设定全部量程，量程范围从 250 dps 2000 dps，低量程数值用于高精度慢速运动测量，而高量程则用于测量超快速的手势和运动。这款器件提供一个16位数据输出，以及可配置的低通和高通滤波器等嵌入式数字功能。就算时间推移或温度变化，这款器件仍然保持连续稳定的输出。内置数字输出的L3G4200D 3轴MEMS陀螺仪的设计和制造采用意法半导体销售量超过6亿支的运动传感器的制程技术。L3G4200D特性（ST）100元 2010三种可选全尺度(250/500/2000存保计划）I2C/SPI数字输出接口16比特率值的数据输出8比特温度数据输出两个数字输出线（中断和data ready）集成低和高通滤波器的用户可选带宽在时间和温度上平稳嵌入式self-test宽电源电压，2.4 V到3.6 V低电压兼容的IOS，1.8 V嵌入式power-down和睡眠模式嵌入式温度传感器嵌入式FIFO缓存高抗撞击能力扩展的工作温度范围(-40 C到+85 C)L3G4200D陀螺仪是测量其所在PCB平面的角速率。根据运动学原理，角度等于角速率在时间上的积分，因此，可以得到转角与角速率的关系： (7) 式中，是当前角度，c是运动初始时的初始转角，为角速率，为初始时刻，t为当前时刻。 在数字系统中，采用其离散型方程： (8) 式中，、的含义与式（2）相同，t表示采样数据的时间间隔13。 根据上述原理，利用设计测量转角系统。只要保证采样频率够快，转角平台稳定，噪声较小即可。3.3 信号补偿电路设计MMA8451Q 是一款具有14 位分辨率的智能低功耗、三轴、电容式微机械加速度传感器。这款加速度传感器具有丰富的嵌入式功能，带有灵活的用户可编程选项，可以配置多达两个中断引脚。嵌入式中断功能可以节省整体功耗，解除主处理器不断轮询数据的负担。同时具备访问低通滤波数据和高通滤波数据的功能，可以将所需的数据分析降至最低程度，从而实现晃动检测和快速的响应。该器件可被配置成利用任意组合可配置嵌入式的功能生成惯性唤醒中断信号，这就使 MMA8451Q 在监控事件同时，在静止状态保持低功耗模式。特性供电电压：1.95 V 至 3.6 V接口电压：1.6 V 至 3.6 V2g/4g/8g 动态量程可选输出数据速率 (ODR) 范围： 1.56 Hz 至 800 Hz噪声：99g/Hz14 位和 8 位数字输出I2C 数字输出接口（在上拉电阻为4.7 k 时，最高频率可达 2.25 MHz）适用于 7 个中断来源的 2 个可编程中断引脚3 个运动检测嵌入式通道自由落体或运动检测： 1 通道脉冲检测： 1 通道晃动检测： 1 通道带有可编程滞后补偿的方向（横向/纵向）检测自动唤醒和自动休眠的ODR可自动更改32段 采样 FIFO高通滤波器数据可单独输出和通过FIFO输出自检测功耗： 6 A 165 A图10 角度信号采集电路图Figure 10 Angle signal acquisition circuit diagram信号补偿电路如图10所示。此电路利用MMA8451Q 加速度传感器采集陀螺仪发送给单片机的信号，然后把失真信号生成相应的预失真信号，发送给单片机，让单片机把失真信号和预失真信号混合处理，从而得到保真度比较强的信号。图11 信号补偿电路图Figure 11 Signal compensation circuit diagram3.4 驱动电路设计3.4.1 H桥驱动电路图13中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图13及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图14所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。图12 H桥驱动电路Figure 12 H-bridge driver circuit 图15所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。图13 H桥电路驱动电机顺时针转动Figure 13 H-bridge circuits to drive the motor clockwise rotation schematic图14 H桥驱动电机逆时针转动Figure 14 H-bridge drive motor counterclockwise rotation3.4.2 使能控制和方向逻辑 驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。图16 所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。（与本节前面的示意图一样，图16所示也不是一个完整的电路图，特别是图中与门和三极管直接连接是不能正常工作的。）采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。如果DIRL信号为0，DIRR信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如图17所示）；如果DIRL信号变为1，而DIRR信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。驱动电路模块设计如图13所示。利用HIP4082IB sop16驱动芯片和H桥驱动电路组成一个完整的驱动电路来驱动电机的转动，驱动功率可达到几百瓦，而且性能也比较稳定。H桥电路总是保持一边高电平、一边低电平，上下桥臂交替导通，从而发出PWM波来控制电机的正反转。图15具有使能控制和方向逻辑的H桥电路Figure 15 H-bridge circuit with the control and direction logic图16 使能信号与方向信号的使用Figure 16 The use of Enable signal and direction signals 图17 驱动电路图Figure 17 Driver circuit diagram4 系统程序设计4.1 角度传感器程序设计机械类的陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。陀螺仪有两个基本特性：一为定轴性，另一是进动性，这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。陀螺仪原理上就是运用物体高速旋转时，角动量很大，旋转轴会一直稳定指向一个方向的性质，所制造出来的定向仪器.传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。Vali等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展,由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。光纤陀螺仪的分类方式有多种。依照工作原理可分为干涉型、谐振式以及受激布里渊散射光纤陀螺仪三类。其中，干涉型光纤陀螺仪是第一代光纤陀螺仪，它采用多匝光纤线圈来增强萨格纳克效应，目前应用最为广泛；按电信号处理方式不同可分为开环光纤陀螺仪和闭环光纤陀螺仪，一般来说闭环光纤陀螺仪由于采取了闭环控制因而拥有更高的精度；按结构又可分为单轴光纤陀螺仪和多轴光线陀螺仪，其中三轴光纤陀螺仪由于体积小、可测量空间位姿因而是光纤陀螺仪的一个重要发展方向。角度传感器程序设计流程图如图14所示。其中基本模式（00）是启动完成命题当中的基本部分，给陀螺仪使能信号，然后接受陀螺仪采集到的角度电信号，通过单片机的处理来控制电机，平板使硬币不掉下而正确的摆动；非基本模式启动完成命题当中的发挥部分，给陀螺仪使能信号，然后接受陀螺仪采集到的角度电信号，通过单片机的处理来控制电机，平板使激光笔对准而正确的摆动。5 测试结果与结论系统上电初始化读取工作模式是基本模式？启动硬币摆动模式启动激光对线模式给陀螺仪使能信号给陀螺仪使能信号接受陀螺仪采集的信号给电机发送相应的信号接受陀螺仪采集的信号给电机发送相应的信号YN图18 角度传感器软件流程图Figure 18 Angle sensor software flowchart5.1 调试方法与仪器测试仪器：GDS-806S示波器、SG1020信号发生器、STM 32 ARM 单片机、迈克逊伺服电机等。调试方法：用信号发生器模拟角度传感器的信号，把其信号传送给单片机，通过单片机控制电机的转动，并且用示波器观察和记录单片机输出信号和输入信号的数据。最终完成系统的搭建，进入最终的联合调试。5.2 测试数据完整性表2 摆动平板圆周旋转数据记录表Table 2 Swing rotation of the flat-panel circumference data recording sheet测试次数测试角度理想角度1次1511802次1431803次1621804次1901805次178180表3 1枚硬币摆动数据记录表Table 3 A coin to swing the data recording sheet测试次数测试角度理想角度掉币个数1次21012次13013次-10004次15005次-200表4 8枚硬币摆动数据记录表Table 43 8coin to swing the data recording sheet测试次数测试角度理想角度掉币个数1次30082次10063次-10054次8025次100表5 单一摆动激光笔数据记录表Table 5 Single-oscillating laser pointer data recorded in Table测试次数测试角度理想角度偏线根数1次17117252次171.217253次171.517254次172.417245次172.11721表6 单一摆动激光笔数据记录表Table 6 Back and forth the laser pointer data recording sheet测试次数测试角度理想角度偏线根数1次172.617252次172.217233次172.317244次172.717255次17217206 结束语本系统以STM 32 ARM单片机芯片为核心部件，利用软件编程，实现了对摆动平板圆周旋转、1枚硬币摆动、8枚硬币摆动、单一摆动激光笔等功能的精确控制。在来回摆动激光笔的过程当中，角度触发出现了误差，通过对故障的一一排查，发现是触发开关的灵敏度不够，后来换了一个高灵敏度的触发开关触发时即可减小。通过最终的测试结果可以看出题目中要求的各项参数指标均能实现，而且有些指标远高于题目的要求，性能可靠稳定。 参考文献1 生电子设计竞赛培训系列教程M，