大学生电子设计竞赛论文-基于自由摆的平板控制系统修改.doc

2012 山东省大学生电子设计竞赛论文题目:基于自由摆的平板控制系统论文编号：参赛学校：青岛工学院参赛学生：联系方式指导教师：二一二 年 九 月基于自由摆的平板控制系统基于自由摆的平板控制系统摘要：根据题目要求，本设计采用EasyARM1138单片机进行控制；主要以EasyARM1138为控制核心，双中英文液晶显示作为显示模块。并采用高精度WDS35D4导电塑料角位移传感器实时监测摆杆和平板角度，A/D采样将信息反馈给单片机。单片机通过THB6128单轴细分驱动器驱动步进电机控制平板转动。摆动摆杆，单片机控制平板转向和转角，使硬币在摆杆摆动过程中与平板保持相对静止，并使激光笔按照题目要求打到极光接收靶。通过硬件设计和软件编写，实现自由摆平板控制系统的基本要求和题目发挥部分的要求。关键词：LM3S1138单片机 WDS35D4导电塑料角位移传感器 自由摆 42BYGHW609步进电机基于自由摆的平板控制系统1 方案论证与设计1.1 方案论证与选择1.1.1 控制器的论证与选择 方案一：采用AT89C51单片机，可编程实现各种基础控制算法和逻辑，价格低廉；但其处理速度较慢，存储空间小，功能简单，精度低。方案二：采用EasyARM1138单片机，先进的32位ARM CorterTMM3 CPU处理器，50Hz高速运行频率，极高的运算能力和中断响应能力。具有性能高、速度快、功率小、性价比高等特点，降低32位ARM的入门门槛，调试简单。综上所述，本设计方案选择方案二，采用EasyARM1138单片机。1.1.2 电机驱动电路论证与选择方案一：采用L298N电机驱动电路，内含4通道逻辑驱动电路。但当电机相序转换造成冲击和惯性，电机转子在平衡位置反复震荡，影响运行精度，并产生比较大的噪声。方案二：采用THB6128单轴细分驱动电路，将电机的固有步距角细分成若干小步的驱动，通过驱动器精度控制步进电机的相电流。多种高细分，满足不同的转速需要，电机运行的平稳，控制灵活。最终实现电机运行稳定，无噪声，节能低功耗，不失步。综上所述，本设计方案选择方案二，采用THB6128单轴细分驱动电路。1.2 系统设计方案1.2.1 系统结构设计摆杆的一端通过转轴固定在支架上，另一端固定安装一个步进电机，平板固定在步进电机转轴上，驱动步进电机控制平板转动，在平板下方固定一激光笔。摆杆两端分别装置一个角度传感器，测量摆杆摆角和平板转角。在距摆杆150cm处放置以一激光接收板。系统结构图如图1所示。图1系统结构图1.2.2 系统控制设计单片机通过角位移传感器1采集摆杆摆角进行A/D转换，驱动步进电机控制平板旋转合适角度，角位移传感器2采集平板角度经A/D转换后反馈给单片机，单片机根据反馈值对平板角度进行相应调整。总体设计方案如图2所示。图2 系统来控制总体设计方案2 原理分析与硬件电路图2.1 系统控制原理分析2.1.1 测量平板状态和摆杆摆角测量当前平板倾角值与角位移传感器两侧电压的A/D采样值对应关系：表2-1平板角度与电压的关系角度-60-50-40-30-2002030405060电压40449059167374795211421250133314291517图6 平板角度与电压关系折线图如图6所示，平板倾角与电压呈线性关系。测量当前摆杆倾角值与角位移传感器两侧电压的A/D采样值对应关系：表2-2 摆杆角度与电压关系角度-60-50-40-30-2002030405060电压17981892199220772167234325252627271528152906图7 摆杆角度与电压关系折线图如图7所示，摆杆摆角与电压呈线性关系。2.1.2 建模与控制方法(1) 平板倾角可讲自由摆控制系统简化成理想的单摆系统，设其加速度a，拉力T,支持力N,摆杆下端总质量m,硬币和平板质量M,摆杆倾角为,平板转角r。受力分析如图8：:图8单摆系统和硬币受力分析又 (公式3)要保持硬币在单摆运动过程中不从平板上脱落必须保证平板与摆杆垂直，平板倾角与摆杆摆角相同，才能保证硬币与单摆系统获得相同的加速度。(2) 自由摆周期计算为控制摆杆摆一个周期，平板旋转一周。需要计算自由摆摆动一个周期的时间T （公式1）其中摆杆长L为1m,重力加速度g取9.8m/s.(3) 激光打靶电机转角计算设摆杆倾角为，平板旋转角度为。电机转角计算公式推导为图9单摆顺时针旋转单摆顺时针旋转时（如图9）电机转角计算公式为： （公式4） （公式5）电机转角为（顺时针旋转）。图10单摆逆时针旋转单摆逆时针旋转时（如图10）电机转角计算公式为： （公式6） （公式7） 电机转角为（逆时针旋转）；2.2 电路原理分析2.2.1 角度传感器模块WDS35D4导电塑料角位移传感器（如图3所示），在传感器敏感电阻两端连接一恒定电压源，传感器通过电刷在导电塑料电阻体导轨上的移动获得输出，电刷的移动与被测位移一致，输出电压与位移量成线性关系。图3 角度传感器电路2.2.2 细分驱动电路模块THB6128单轴细分驱动电路，采用两片6N137高速光耦隔离输入，保护控制器，使步进电机工作稳定准确。半流控制功能，使电机停止的时候电流降低，减少发热，更节能。图11 THB6128单轴细分驱动电路3 软件设计与流程3.1 系统软件开发IAR Embedded Workench是IAR System公司推出的一款非常有效的嵌入式系统开发工具。支持多微处理器、多语言、多种调试工具，调试速度快，强大的仿真功能，输出多格式文件等。有效地开发并管理应用项目，界面友好，功能完善，观察窗口方便调试。3.2 程序流程图图5 程序框图4 系统测试与误差分析4.1 测试仪器CA18303D稳压电源，34401A六位半数字万用表，DS1022C示波器，SSCOM32串口精灵，秒表，直尺，角度测量仪。4.2 测试方法与结果测量方法与结果功能1将摆杆拉到任意角度后释放，目测当自由摆经五个周期返回初始位置时，观察平板旋转五周的累积误差。测试结果：在摆杆摆动五个周期内，平板的旋转角度累计误差小于。功能2将摆杆拉到任意一个角度，调整平板角度，在平板中心稳定放置一枚1元硬币，启动后释放摆杆让其自由摆动。在摆杆摆动过程中，控制平板与摆杆垂直，硬币在摆杆摆动5个周期内不从摆杆上脱落，并记录摆杆偏离中心距离。表4-1角度(度)303336394245偏移量cm00.30.20.50.70.6功能3将摆杆拉到任意一个角度，调整平板角度，在平板中心稳定放置八枚1元硬币，启动后释放摆杆让其自由摆动。在摆杆摆动过程中，控制平板与摆杆垂直，硬币在摆杆摆动5个周期内不从摆杆上脱落，并记录硬币掉落个数。表4-2角度(度)454851545760个数103202功能4摆杆垂直静止且平板处于水平时，调节靶子高度，使光斑照射在靶纸的某一条线上，标识此线为中心线。用手推动摆杆至一个角度，启动后，系统应在15 秒内控制平板尽量使激光笔照射在中心线上（偏差绝对值1cm），完成时以LED 指示。记录光斑偏离中线的距离和从启动到激光打到中心线上所用时间。表4-2角度(度)30354045505560偏移量(cm)0.40.20.50.20.80.60.3时间（s）13121112141314指示灯正常正常正常正常正常正常正常功能5在完成发挥部分1的前提下，调整平板，使激光笔照射到中心线上。启动后放开让摆杆自由摆动；摆动过程中尽量使激光笔光斑始终瞄准照射在靶纸的中心线上，记录光斑偏离中线的距离。表4-2角度(度)30354045505560偏移量(cm)0.20.300.20.30.10.456 总 结经组内成员团结协作，最终完成了题目的基本要求部分和发挥部分的要求，系统设计简洁美观，程序算法严谨科学。本次比赛提高了我们分析问题、解