毕业设计（论文）-基于自由摆的平板控制系统设计.doc

12届届 分类号 TP368 12 单位代码 10452 临沂大学理学院 毕业论文 设计 基于自由摆的平板控制系统设计基于自由摆的平板控制系统设计 姓 名 陈达陈达 学 号 200807810118200807810118 年 级 20082008 专 业 电子信息工程电子信息工程 系 院 理学院理学院 指导教师 李道勇李道勇 2012 年 03 月 13 日 I 摘 要 该系统采用 STC12C5A60S2 单片机作为控制系统的核心 以步进电机控制平 板转动 以 L298 作为电机驱动芯片 以旋转编码器模块为角度传感器 监测出 平板的倾斜角度 并用 1602 液晶显示屏显示出平板的倾斜角度 然后数据被送 到单片机 同时单片机根据所采集来的角度变化 采用 PID 算法求出平板应该 转动的角度 使平板的倾斜角度恰好能够满足平板对硬币的作用力在水平方向 上的分量刚好提供硬币的横向加速度所须的力 继而 STC12C5A60S2 单片机根据 步进电机的最小步进角 精确地控制步进电机转动相应的步数 从而实现控制 平板在转动过程中维持平衡状态 该系统布局基本合理 实际运行较为平稳 控 制精度较高 关键词 STC12C5A60S2 单片机 自由摆 步进电机 旋转编码器 II ABSTRACT The system uses STC12C5A60S2 microcontroller as the core of the control system tablet rotation to the stepper motor control to L298 motor driver chip rotary encoder modules for the angle sensor to monitor the tilt angle of the flat and flat panel liquid crystal display 1602 shows the tilt angle data is then sent to the microcontroller microcontroller based on the collected angle changes the PID algorithm to find the tablet angle of rotation the tilt angle of the tablet happens to meet the force of the tablet on the coins in the horizontal directionthe weight is just to provide the force required by the lateral acceleration of the coin then STC12C5A60S2 microcontroller according to the minimum step angle of the stepper motor to precisely control the stepper motor rotates the corresponding number of steps in order to achieve control of the tablet to maintain equilibrium in the rotation process the system layout is basically rational the actual operation is relatively stable high control accuracy Key words single chip STC12C5A60S2 free pendulum stepping motor the rotary encoder III 目 录 1 引言引言 1 2 设计任务与要求设计任务与要求 2 2 1 设计任务 2 2 2 设计要求 2 3 方案设计与论证方案设计与论证 3 3 1 系统所用的各模块 3 3 2 系统的组成 6 4 系统的实现系统的实现 6 4 1 总体电路框图 6 4 2 单元电路设计 7 4 3 平板倾斜角度计算方法的建模 9 5 系统软件流程图系统软件流程图 11 6 测试及结果测试及结果 11 6 1 测试方案 11 6 2 测试条件与仪器 12 6 3 测试结果及分析 12 7 7 结论结论 13 附附 录录 14 参参 考考 文文 献献 18 致致 谢谢 19 1引言引言 由于转子不平衡而引起的旋转机械振动是一类常见故障 其排除方法是进 行动平衡 1 1 根据经典动平衡方法 无论是使用专用动平衡机亦或现场整机动平 衡 都需要至少一次启停机 然而 现代工业日趋流程化 一体化 各流程之间 紧密祸合 停机维修费用高昂 这一问题在石油 化工 冶金 电力等行业中尤 为突出 在自由摆保持运行的情况下对转子进行实时动平衡即自动平衡是解决该问 题的最佳方案 自动平衡不但能及时降低机组振动 而且能在长期运行期间随时 调整转子的不平衡状态 从而使其始终运行在良好的平衡状态或近似状态中 自 动平衡技术的规模化工业应用 2 2 将是动平衡技术的一次巨大进步 不仅推动故 障诊断技术至更高层次 开创故障在线自愈的新阶段 而且如能在设计阶段引 入自动平衡装置将产生一类新概念机器 成为机器智能化的一个新领域 所带 来的经济效益和社会效益是难以估计的 同时 随着计算机软件技术水平的不断提高和电子技术突飞猛进的发展 测控技术在社会生产生活中发挥着无法估量的重要作用 近年来 新型微处理器 的速度不断提高 采用流水线 RISC 结构和 cache 等先进技术 又极大提高了 计算机的数值处理能力和速度 在数据采集方面 数据采集卡 仪器放大器 数 字信号处理芯片等技术的不断升级和更新 也有效地加快了数据采集的速率和 效率 与计算机技术紧密结合 已是当今仪器与测控技术发展的主潮流 对微机 化仪器作具体分析后 配以相应软件和硬件的计算机将能够完成许多仪器 仪 表的功能 实质上相当于一台多功能的通用测量仪器 这样的现代仪器设备的功 能已不再由按钮和开关的数量来限定 而是取决于其中存储器内装有软件的多 少 从这个意义上可认为 计算机与现代仪器设备日渐趋同 两者间已表现出全 局意义上的相通性 据此 有人提出了 计算机就是仪器 软件就是仪器 的概 念 而基于自由摆的平板控制系统是为自动控制原理等基础控制课程的教学实 验而设计的实验设备 它是控制领域中的一个经典实验对象 该系统可为自动控 制理论的教学 实验和科研构建良好的实验平台 该系统采用 STC12C5A60S2 单 片机 3 3 作为控制系统的核心 以步进电机控制平板转动 以 L298 作为电机驱动 芯片 4 4 以旋转编码器模块 5 5 为角度传感器 监测出平板的倾斜角度 并用 1602 液晶显示屏显示出平板的倾斜角度 然后数据被送到单片机 同时单片机 根据所采集来的角度变化 采用 PID 算法 6 6 求出平板应该转动的角度 使平板 2 的倾斜角度恰好能够满足平板对硬币的作用力在水平方向上的分量刚好提供硬 币的横向加速度所须的力 继而 STC12C5A60S2 单片机根据步进电机的最小步进 角 精确地控制步进电机转动相应的步数 7 7 从而实现控制平板在转动过程中 维持平衡状态 该系统布局基本合理 实际运行较为平稳 控制精度较高 设计 目标在于以此为参考对测控技术 8 8 作简单阐述 2设计任务与要求 2 1 设计任务 1 设计并制作一个自由摆上的平板系统 其结构如图 1 所示 摆杆的一端 通过转轴固定在一支架上 另一端固定安装一台电机 平板固在电机转轴上 当摆杆如图 2 所示摆动时 驱动电机可以控制平板转动 图 1 平板系统 图 2 自由摆动示意图 2 2 设计要求 1 控制电机使平板可以随着摆杆的摆动而旋转 3 5 周 摆杆摆一个周 期 平板旋转一周 360 偏差绝对值不大于 45 2 在平板上粘贴一张画有一组间距为 1cm 平行线的打印纸 用手推动摆杆 至一个角度 在 30 45 间 调整平板角度 在平板中心稳定放置一 枚 1 元硬币 人民币 启动后放开摆杆让其自由摆动 在摆杆摆动过程中 要 求控制平板状态 使硬币在 5 个摆动周期中不从平板上滑落 并尽量少滑离平 板的中心位置 3 用手推动摆杆至一个角度 在 45 60 间 调整平板角度 在 平板中心稳定叠放 8 枚 1 元硬币 见图 2 启动后放开摆杆让其自由摆动 在摆 3 杆摆动过程中 要求控制平板状态使硬币在摆杆的 5 个摆动周期中不从平板上 滑落 并保持叠放状态 根据平板上非保持叠放状态及滑落的硬币数计算成绩 3方案设计与论证 3 1 系统所用的各模块 根据题目要求 按照各个模块对实现功能 精度以及反应速度等多方面的 要求 对比以往的模块方案 寻找出它们的缺点和不足 我增添了自己的改进 方案 并以改进方案的模块联合实现系统的功能要求 3 1 13 1 1 控制器模块控制器模块 常用方案一 采用 FPGA 作为系统的控制器 FPGA 可以实现各种复杂的逻辑 功能 规模大 密度高 它将所有器件集成在一块芯片上 减小了体积 提高 了稳定性 并且可应用 EDA 软件仿真 调试 易于进行功能扩展 FPGA 采用并 行的输入输出方式 提高了系统的处理速度 适合作为大规模实时系统的控制 核心 由检测模块输出的信号并行输入 FPGA FPGA 通过程序设计控制监控系统 作出相应的动作 但由于其集成度高 使其成本偏高 同时由于芯片的引脚较 多 实物硬件电路板布线布线复杂 加重了电路设计和实际焊接的工作 常用方案二 采用 ATMEL 公司的 AT89C51 作为系统控制器的 CPU 方案 单片 机 AT89C51 是一种带 8K 字节内嵌可编程闪存的低功耗高性能的八位微控制器 看门狗定时器 双数据指针 3 个 16 位定时 计数器 6 个两级中断源结构 以及掉 电模式下的自动保存功能 且软件编程灵活 自由度大 可用软件编程实现各 种算法和逻辑控制 但其运算速度还是有点欠缺 不能达到本系统的要求 改进方案 采用 STC12C5A60S2 STC12C5A60S2 AD PWM 系列单片机是宏晶 科技生产的单时钟 机器周期 1T 的单片机 9 9 是高速 低功耗 超强干扰的新 一代 8051 单片机 指令代码完全兼容传统的 8051 但速度快 8 12 倍 内部集 成 MAX810 专用复位电路 2 路 PWM 4 个 16 位定时器 7 个中断 8 路高速 10 位 A D 转换 250K S 即 25 万次 秒 针对电机控制 强干扰场合 并且由于 其功耗低 体积小 技术成熟和成本低 运用广泛市场上容易购买等优点 完 全满足本系统的要求 3 1 23 1 2 电机模块电机模块 常用方案一 直流电机使用方便 价格便宜 但运动精度低 难以实现精 确的位置控制 如用直流电机控制平板转动 将难以控制其精确位置 系统稳定 性差 较难达到题目的要求 4 改进方案 步进电机的运动精度很高 可实现精确的步距角运动 由其组 成的位置控制系统定位准确 稳定时间短 一般可采用开环控制 虽然步进电机 的控制系统相对复杂 但与其驱动控制器匹配使用 控制起来也十分方便 可 很容易的构成数字位置控制系统 因此本系统的驱动元件采用了步进电机 由 CPU 通过其驱动控制器来控制 3 1 33 1 3 电机驱动模块电机驱动模块 常用方案一 利用 9012 2SC8050 及电机构成驱动电路 如图 3 所示 如 果单片机控制口输出高电平 9012 截止 2SC8050 截止 电机停止运转 单片机 控制口输出低电平时 9012 导通 2SC8050 导通 电机开始运转 该电路比较简 单 输出功率足够大 足以推动电机工作 并且电机工作时三极管性能非常稳 定 但该方案中单片机部分和电机供电部分没有完全隔离 而电动机在切换时会 产生巨大的反电动势 经常烧坏单片机 图 3 电机驱动电路 常用方案二 利用 BA6219B 及其外部辅助电路和电机构成驱动电路 如图 4 单片机控制口接 BA6219B 的两个输入控制端 IN1 IN2 BA6219 的两个输出端 OUT1 2 OUT2 10 接电机 BA6219B 的最大输出电流为 2 2A 可使电机快速运行 但 是本系统对电机的运行速度要求不是很高 而且这种方法控制较复杂 不宜采 用 5 图 4 电动机外部辅助电路 改进方案 使用 L298 芯片实现电机的驱动 此种方法电路结构简单 软件 设计也直观明了 对于控制电机转动非常方便 其电路原理如图 5 图 5 L298 驱动原理图 3 1 43 1 4 显示模块显示模块 常用方案一 使用传统的数码管显示 数码管具有 低功耗 低损耗 低压 寿命长 耐老化 防晒 防潮 防火 放高 低 温 对外界环境要求低 易 于维护 同时其精度比较高 称量快 精确可靠 操作简单 数码管是采用 BCD 编码显示数字 程序编译容易 资源占用较少 但是其不适合显示字符 且其电 路复杂 故不宜采用 6 改进方案 使用 1602 液晶显示屏显示 1602 液晶显示屏 LCD 具有轻薄 短小 低耗电量 无辐射危险 平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势 可 视面积大 画面效果好 分辨率高 抗干扰能力强等特点 3 1 53 1 5 平板倾斜角度计算模块平板倾斜角度计算模块 平板倾斜角度控制主要是控制电机转动 使平板的倾斜角度满足系统平稳 运行的条件 常用方案 自适应算法 自适应过程是一个不断逼近目标的过程 它所遵循 的途径以数学模型表示 称为自适应算法 通常采用基于梯度的算法 其中最小 均方误差算法 即 LMS 算法 尤为常用 自适应算法可以用硬件 处理电路 或软 件 程序控制 两种办法实现 前者依据算法的数学模型设计电路 后者则将算 法的数学模型编制成程序并用计算机实现 算法有很多种 它的选择很重要 它 决定处理系统的性能质量和可行性 单片机读取传感器采集来的与水平方向上 的角度偏差 一旦出现偏差则控制电机往相应的反方向运转 10 10 直至角度偏差 趋于零 但由于该系统角度偏差变化太快 自适应算法调节方式难以达到系统要 求 改进方案 PID 算法 在过程控制中 按偏差的比例 P 积分 I 和微 分 D 进行控制的 PID 控制器 亦称 PID 调节器 是应用最为广泛的一种自动 控制器 它具有原理简单 易于实现 适用面广 控制参数相互独立 参数的选 定比较简单等优点 而且在理论上可以证明 对于过程控制的典型对象 一阶滞后 纯滞后 与 二阶滞后 纯滞后 的控制对象 PID 控制器是一 种最优控制 PID 调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法 它的参数 整定方式简便 结构改变灵活 3 2 系统的组成 经过仔细分析和论证 决定了系统各模块的最终方案如下 1 控制器模块 STC12C5A60S2 单片机 2 电机模块 步进电机 1 8 step 3 电机驱动模块 L298 芯片 4 显示模块 1602 液晶显示 5 平板倾斜角度计算模块 旋转编码器 PID 算法 4系统的实现 4 1 总体电路框图 为了使系统能够实现各种复杂的控制功能 本设计采用一种功能强大的 7 高速低功耗性价比高的单片机 STC12C5A60S2 完成对其他部分控制 本设计采用 倾角传感器对摆杆的倾斜角度的采集数据 通过 STC12C5A60S2 单片机内部自带 的 A D 转换将数据送给单片机 单片机通过数据分析控制 L298N 驱动电路 使 步进机旋转保持平板的水平平衡 用 1602 液晶显示 A D 的数据 总体框图如图 6 所示 图 6 系统总体框图 4 2 单元电路设计 第一部分 STC12C5A60S2 单片机最小系统 STC12C5A60S2 单片机最小系统 P1 1 口 P1 2 口 P1 3 P1 4 口接 L298 驱动电流的输入口 单片机通过对 L298N 的控制 使 L298 发出脉冲控制步进机 P2 3 口 P2 4 口 P2 5 口接 1602 液晶 控制液晶显示 A D 采集 N1000060 倾 角传感器的数据 A D 转换是用 STC12C5A60S2 内部自带的 A D 单片机最小系统 11 11 如图 7 所示 电 源 单 片 机 驱动 模块 步 进 机 液 晶 显 示 传 感 器 AD 模块 8 图 7 最小系统 第二部分 L298N 电机驱动 L298N 是一种二相四相步进电机 12 12 的专用驱动器 内含两个 H Bridge 的高 电压 大电流双桥式驱动器 接收标准 OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 之间分别接 两个步进机 INPUT1 INPUT2 INPUT3 INPUT4 接单片机 I O 接收输入控制 电位来控制电机旋转 L298N 驱动电路如图 9 所示 图 8 L298N 驱动 第三部分 供电电源模块 供电电源采用集成稳压器 7805 电路图中 稳压器 7805 输入端的电容为 输入端滤波电容 输出端的电容为输出端滤波电容 家用电 220V 经过变压器接 9 入供电电源模块 13 13 能输出直流电压 12V 5V 5V 12V 供电电源如图 10 所 示 图 9 供电电源 4 3 平板倾斜角度计算方法的建模 单摆周期 T 2 3 14 sqrt l g 1 其中 l 为摆长 1M g 为重力加速度 9 8m s 2 该系统算得 T 2006ms 过程控制的基本概念 过程控制 对生产过程的某一或某些物理参数进行 的自动控制 1 模拟控制系统 图 10 基本模拟反馈控制回路 被控量的值由传感器或变送器来检测 这个值与给定值进行比较 得到偏 差 模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化 以使偏差趋近于零 其输出 通过执行器作用于过程 控制规律用对应的模拟硬件来实现 控制规律的修改需 要更换模拟硬件 2 微机过程控制系统 10 图 11 微机过程控制系统基本框图 以微型计算机作为控制器 控制规律的实现 是通过软件来完成的 改变控 制规律 只要改变相应的程序即可 3 模拟 PID 控制系统组成 图 12 模拟 PID 控制系统原理框图 PID 调节器是一种线性调节器 14 14 它将给定值 r t 与实际输出值 c t 的偏差的 比例 P 积分 I 微分 D 通过线性组合构成控制量 对控制对象进行控制 4 PID 调节器的微分方程 t D I P dt tde Tdtte T teKtu 0 1 2 式中 tctrte 5 PID 调节器的传输函数 ST ST K SE SU SD D I P 1 1 3 6 PID 调节器各校正环节 15 15 的作用 1 比例环节 即时成比例地反应控制系统的偏差信号 e t 偏差一旦产 生 调节器立即产生控制作用以减小偏差 2 积分环节 主要用于消除静差 提高系统的无差度 积分作用的强弱 取决于积分时间常数 TI TI 越大 积分作用越弱 反之则越强 11 3 微分环节 能反应偏差信号的变化趋势 变化速率 并能在偏差信号 的值变得太大之前 在系统中引入一个有效的早期修正信号 从而加快系统 的动作速度 减小调节时间 7 数字 PID 控制器 1 模拟 PID 控制规律的离散 表 1 模拟 PID 控制规律的离散化 模拟形式离散化形式 tctrte ncnrne dT tde T nene 1 t dtte 0 n i n i ieTTie 00 2 数字 PID 控制器的差分方程 4 0 0 0 1 unununu unene T T ie T T neKnu DIP n i D I P 式中 称为比例项 neKnu PP 称为积分项 n i I PI ie T T Knu 0 称为微分项 1 nene T T Knu D PD 5系统软件流程图 系统软件流程如图 13 12 图 13 系统软件流程图 6测试及结果 6 1 测试方案 1 硬件测试 硬件测试时 可先用万用表检测印制板及焊接的质量是否符合要求 有无 虚焊及线路间有无短路 断路 检查无误后 可通电检测电源部分是否正常工 作 2 软件仿真测试 软件编译和仿真调试是在 MCS 51 编译器下进行 源程序编译及仿真调试应 分段或子程序为单位逐个进行 最后结合硬件实时调节 子程序测试包括 1 显示程序 2 步进电机程序 3 键盘程序 4 角 度传感器模块 3 硬件软件联调 1 基本要求的测试 第一次 我们设置平板的摆动为模式 1 要求平板能随着摆杆的摆动而旋 转 3 5 周 平板旋转一周偏差不大于 45 第二次 设置平板的工作为模式 2 在平板上粘贴一张画有一组间距为 1cm 平行线的打印纸 将摆杆从 45 处放下 5 周期后 控制摆杆缓慢停下 这时 硬币滑离平板中心距离 0cm 13 第三次 让摆杆从 60 处放下 5 周期后 控制摆杆缓缓停下 此时接触 平板的硬币数为 1 6 2 测试条件与仪器 1 测试条件 检查电路板 保证电路无虚焊及线路间无短路 断路 2 测试仪器 表 2 测试仪器 序号类型厂商型号 1 直流稳压稳流电源中策 20001420 2 数字万用表深圳滨江 DT9205 3 量角器 6 3 测试结果及分析 测试结果数据表格 表 3 角度偏差测试 单位 度 次数 角度 1234 平均 第一次 41 42 43 42 42 第二次 20 24 23 25 23 第三次 4 2 3 3 3 表 3 8 枚硬币测试 单位 枚 次数 有效 硬币数 12345 第一次 12112 第二次 34334 第三次 54454 测试分析与总结 1 电机抖动 电机性能不能达到要求 程序控制方面存 14 在一定问题 2 单摆周期 空气 线的阻力和单摆和支架间的摩擦力使周期变 长 另外单摆摆动的角度超过 6 这也使得单摆周期与实际存在一定程度的误 差 从而影响了对电机控制时机的把握 3 此设计采用角度传感器进行检测 结合 STC 单片机编程 对系统各电路和实际运行的测试 得出上述数据 根据上 述测试数据 由此可以得出以下结论 系统精度相对来说比较高 误差很小 系统各项功能均达到设计要求 由于增加了 LCD 显示当前信息 显示清晰醒目 灵活性较大 7 7 结论结论 本系统以 STC12C12C5A60S2 单片机作为核心部分 根据旋转编码器采集来 的信息 经计算得出数据来控制步进电机转动 从而达到系统的基本要求 在系 统设计中 力求硬件线路简单 充分发挥软件编程方便灵活的特点 来满足系 统设计要求 因为时间有限 该系统还有许多值得改进的地方 比如对此系统来 讲 PID 算法并不是最优算法 硬件电路的设计还需优化 以减小系统的阻力 等等 因此 系统还有待改进 如果要更好的实现该题目要求 可以采用细分电 路 采用细分电路就是通过单片机进行 DAC 输出阶梯波来控制电机 那样就可 以根据阶梯波从 0 到最大值的阶梯数来进行很好的细分控制 进而使得步进电机 平稳的转动 15 附 录 附录 1 部分模块软件设计 1 步进电机右转函数 void l turn uint i 步进电机右转函数 AA delay ms i AB delay ms i BB delay ms i BC delay ms i CC delay ms i CD delay ms i DD delay ms i DA delay ms i 2 步进电机左转函数 void r turn uint i 步进电机左转函数 DA delay ms i DD delay ms i CD delay ms i CC delay ms i BC 16 delay ms i BB delay ms i AB delay ms i AA delay ms i 3 STC12C5A60S2 内部 AD BYTE get ad0 AD 读取传感器 1 的值 ADC CONTR ADC POWER ADC SPEEDLL ch0 ADC START nop nop nop nop while ADC CONTR return ADC RES BYTE get ad5 AD 读取传感器 2 的值 ADC CONTR ADC POWER ADC SPEEDLL ch5 ADC START nop nop nop nop while ADC CONTR return ADC RES 4 LCD1602 的初始化 写数据指令以及显示程序 void write com uchar com 写指令函数 rs 0 P0 com delay 1 en 1 17 delay 1 en 0 void write data uchar datae 写数据函数 rs 1 P0 datae delay 5 en 1 delay 5 en 0 void display shu uchar hang uchar add uchar num 在 1602 显示数据的函 数 hang 为第几行 add 为位置 num 为数据 uchar shi shi num if hang 1 write com 0 x80 add write data 0 x30 shi if hang 2 write com 0 x80 0 x40 add write data 0 x30 num void init LCD 初始化 LCD en 0 rw 0 write com 0 x38 显示模式控制 write com 0 x0c 显示开关及光标控制 write com 0 x06 数据指针设置 write com 0 x01 清零 18 write com 0 x80 19 参 考 文 献 1 张衍 转子动平衡计算及转子轴心轨迹识别 D 哈尔滨工程大学 2003 2 Joanne Meehan Lindsey Muir SCM in Merseyside SMEs benefits and barriers J The TQM Journal 2008 20 3 pp 223 2