毕业设计-基于自由摆的平板控制系统

兰州交通大学毕业设计 论文 摘 要 本设计要求设计一个基于自由摆的平板控制系统 控制电机能使平板可以随着摆 杆的摆动而旋转 3 5周 摆杆摆一个周期 平板旋转一周 在平板上摆放一枚和八枚 硬币 一枚硬币时用手堆动摆杆至一个角度 30度到45度 八枚硬币时 用手堆动摆杆 至一个角度 45度到60度 启动系统后 让自由摆自由的摆动 在五个周期内 不让平 板上的硬币掉下来 本设计是基于AT89C52单片机为主控芯片 将角度传感器与自由摆顶端相连 利 用角度和电阻值的线性关系 采用单片机进行AD转换器转换角度传感器两端电压的变 化 并在LCD液晶屏上显示转换后的角度值 通过单片机对电机驱动芯片控制驱动电 机 实现电机随着摆杆的摆动而正反转和停转的功能 应用单片机对采集到的电压进 行PID控制算法 再通过改变PWM的占空比达到精确控制电机转速的目的 从而使平 板随着摆杆的摆动一直与水平面保持平行 基于自由摆的平板控制系统能够使放在平 板上的小物件在摆动的过程中不会掉下来 关键词 关键词 AT89C52AT89C52 ADAD 转换 步进电机 转换 步进电机 LCDLCD 屏屏 兰州交通大学毕业设计 论文 I Abstract The design requirements and design a tablet based on free pendulum control system can control the motor plate can swing with the pendulum rotates 3 5 weeks the pendulum swing a cycle tablet revolution Placed on the plate and an eight coins a coin pile hand when moving to a pendulum angle 30 degrees to 45 degrees eight coins hand heap to a moving pendulum angle 45 degrees to 60 degrees start the system let freedom pendulum swinging freely in the five periods not to fall flat on the coin This design is based on AT89C52 microcontroller as the master chip the angle sensor is connected to the top of the free pendulum the use of angle and the linear relationship between the resistance value the use of single chip AD converter converts the voltage across the sensor angle changes and on the LCD screen displayed angle value after conversion by the motor driver chip microcontroller controls the drive motor the motor with the swing of the pendulum and stopped reversing function application microcontroller collected voltage PID control algorithm and then by changing the PWM duty cycle to achieve the purpose of precise control of motor speed so that the plate with the pendulum has been swinging parallel to the horizontal plane Tablet based on free pendulum control system enables small objects on the plate in the swing process will not fall off Key Words AT89C52 ADStepper motor LCD screen 兰州交通大学毕业设计 论文 II 目 录 摘 要 I Abstract II 1 绪论 1 1 1 课题背景与意义 1 1 2 课题的内容与要求 1 2 系统方案设计 3 2 1 结构框图 3 2 2 系统模块选择设计 3 2 2 1 控制器模块 3 2 2 2 角度转换模块 4 2 2 3 电机模块 4 2 2 4 驱动电机模块 4 2 2 5 显示模块 4 3 理论分析与计算 5 3 1 自由摆平板系统模型建立 5 3 2 自由摆旋转角度与电机旋转角度关系建模与分析 6 3 3 发挥部分建模与设计 6 4 电路与程序设计 8 4 1 电路设计 8 4 1 1 驱动步进电机模块 8 4 1 2 角度检测模块 8 4 1 3 显示器模块 9 4 1 4 系统电路 9 4 2 程序设计 10 4 2 1 Keil 软件介绍 10 4 2 2 程序设计流程图 10 5 Protues 仿真测试及分析 12 5 1 Protues 软件介绍 12 5 2 Protues 仿真测试电路 13 5 3 测试数据 13 5 4 测试分析 14 兰州交通大学毕业设计 论文 III 结 论 15 致 谢 16 参考文献 17 兰州交通大学毕业设计 论文 1 绪论 1 1 课题背景与意义 单片微型计算机简称单片机 常用英文字母的缩写MCU 单片机又称单片微控制 器 它不是完成某一个逻辑功能的芯片 而是把一个计算机系统集成到一个芯片上 单片机由运算器 控制器 存储器 输入输出设备构成 学习使用单片机是了解计算 机原理与结构的最佳选择 它最早是被用在工业控制领域 由于单片机在工业控制领域的广泛应用 单片机由仅有CPU的专用处理器芯片发 展而来 最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中 使计算机 系统更小 更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中 INTEL的8080是最早按照这种思想设计出的处理器 当时的单片机都是4位或8位的 其中最成功的是INTEL的8051 此后在8051上发展出了MCS51系列单片机系统 因为 简单可靠而性能不错获得了很大的好评 尽管2000年以后ARM已经发展出了32位的主 频超过300M的高端单片机 直到现在基于8051的单片机还在广泛的使用 在很多方面 单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统 因此它得到了广泛的应用 事实上单 片机是世界上数量最多处理器 随着单片机家族的发展壮大 单片机和专用处理器的 发展便分道扬镳 现代人类生活中所几乎所有每件电子器件的产品中都会集成有单片机 手机 电 话 计算器 家用电器 电子玩具 掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机 汽车上一般配备几十种片单片机 复杂的工业控制系统上能使数百片单片机同时工作 单片机的数量不但远超过 PC 机和其他计算机的总和 甚至比地球总人数还多 基于自由摆的平板控制系统设计有利于熟悉单片机原理和掌握 C 语言编程 增强 动手能力 1 2 课题的内容与要求 设计并制作一个自由摆上的平板系统 其结构如图1 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1 2所 示摆动时 驱动电机可以控制平板转动 用手推动摆杆至一个角度 在45度到60度间 调整平板角度 在平板中心稳定叠放8枚1元硬币 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摆杆运动中不从平板上滑落 并保持叠 放状态 并且在平板上固定一激光笔 光斑照射在距摆杆150cm距离处垂直放置的靶子 上 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 兰州交通大学毕业设计 论文 上 标识此线为中心线 系统启动后 在15秒钟内控制平板尽量使激光笔照射在中心 线上 图 1 1 自由摆结构 图 1 2 自由摆摆动示意图 兰州交通大学毕业设计 论文 2 系统方案设计 本课题要求设计并制作一个自由摆上的平板控制系统 能实现在自由摆摆动过程 中平板自由旋转 以及在自由摆摆动过程中平摆上放置硬币使硬币不滑落 发挥部分 要求实现用手推动摆杆至一个角度 在30度到60度间 系统启动后 系统应在15秒钟 内控制平板尽量使平板上的激光笔照射在设定的中心线上 1 2 1 结构框图 本系统利用AD转换器转换自由摆摆动角度并用数码管显示 利用单片机接收信号 并控制步进电机来控制平板转动 主要由角度转换模块 电机模块 驱动电机模块 显 示模块 控制模块 系统结构框图如图2 1所示 角度检测器 AD转换器 单片机控制 步进电机驱动 器 步进电机 平板转动 图2 1 系统结构框图 2 2 系统模块选择设计 本系统以AT89C52作为控制核心 用四相八拍的步进电机来控制平板转动 采用 TLC549AD转换器转换自由摆摆动角度 并利用LCD1602数码管显示角度 采用达林 顿ULN2003步进电机驱动器驱动步进电机 下面分别介绍这几个模块的设计 2 2 1 控制器模块 采用ATMEL公司的AT89C52控制芯片 AT89C52是一个低电压 高性能CMOS 8 兰州交通大学毕业设计 论文 位单片机 片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取 数据存储器 RAM 器件采用ATMEL公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼容标 准MCS 51指令系统 片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元 8kB可反复擦写 大 于1000次 Flash ROM 32个双向I O口 256x8bit内部RAM 3个16位可编程定时 计数 器中断 时钟频率0到24MHz 具有低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 2 2 2 角度转换模块 采用TI公司的TLC549AD转换器 2 TLC549是TI公司生产的一种低价位 高性能 的8位A D转换器 它以8位开关电容逐次逼近的方法实现A D转换 其转换速度小于 17us 最大转换速率为4MHZ 4MHZ典型内部系统时钟 电源为3V至6V 可用于较小 信号的采集 它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接 构成各种廉价 的测控应用系统 3 2 2 3 电机模块 采用四相八拍的步进电机控制平板的运动 步进电机是以 步 为单位旋转的 数字特征比较明显 四相八拍步进电机最小步进角为0 9度 因此能实现平板转动的精 确控制 步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性 4 改变脉冲的顺序 就可以改 变转动的方向 电机的停止 转速只取决于脉冲信号的脉冲数和频率 并且步进电机 只有周期性的误差而无累积误差等特性从而能较好的实现平板停止转动的目的 2 2 4 驱动电机模块 采用达林顿ULN2003 ULN2003是高耐压 大电流复合晶体管阵列 由七个硅 NPN 复合晶体管组成 具有电流增益高 工作电压高 灌电流可达500mA 能够在关 态时承受50V 的电压 输出还可以在高负载电流并行运行 还具有带负载能力强等特 点 适应于各类要求高速大功率驱动的系统 5 ULN2003的每一对达林顿都串联一个 2 7K的基极电阻 在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连 可以直接处 理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据 2 2 5 显示模块 采用LCD1602显示 1602液晶也叫1602字符型液晶 它是一种专门用来显示符号 字母 数字等的点阵型液晶模块 它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成 每个 点阵字符位都可以显示一个字符 每位之间有一个点距的间隔 每行之间也有间隔 起到了字符间距和行间距的作用 LCD1602能显示16 2 即可以显示两行 每行16个 兰州交通大学毕业设计 论文 字符液晶模块 显示字符和数字 3 理论分析与计算 3 1 自由摆平板系统模型建立 1 自由摆运动模型 系统是由轻杆和步进电机等组成 相较于步进电机轻杆重心 可以近似为在平板附近 摆沿半径为l的弧长自由摆动 示意图如图3 1所示 v mg 图3 1 自由摆模型示意图 在最低位置时平板将达到最大速度 因此在不计空气阻力及固定点摩擦力的情 况下利用能量守恒定律有 2 1 cos v l mgm 由此可以得出最大速度 lg 1 cos v 自由摆周期计算 根据单摆的周期计算公式 2 l g T 得单摆周期T 1 986ms 2 使硬币不滑落的模型分析 兰州交通大学毕业设计 论文 根据单摆的物理规律平板随自由摆摆臂运动的加速度方向始终垂直与摆臂 当摆 角30度到45度之间时 经过推算 硬币会受到平板沿平板方向上微弱的分力作用 但 是考虑到两者之间的摩擦力作用 静摩擦力要远大于沿平板方向分力作用 是不会使 硬币发生位移 因此只要保持平板与摆臂的垂直就能保证硬币不会滑落 自由臂开始运动时平板保持水平位置 要保证硬币不从平板上滑落需要平板尽快 保持与自由臂垂直 因此在放开摆时则需要让平板尽快达到与自由臂垂直位置 3 2 自由摆旋转角度与电机旋转角度关系建模与分析 由自由摆系统原理可知 控制平板状态要保持平衡 即摆杆摆动多少角度 平板 就需要转动相应角 平板平衡示意图如图3 2所示 图 3 2 自由摆旋转角与平板倾角关系 3 3 发挥部分建模与设计 系统控制的发挥部分要求是激光笔在摆杆自由摆动的过程中 照射在靶子上的光 斑始终位于靶子的中心线上 已知摆长l 100cm BC 150cm 自由摆逆时针旋转时为 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如图3 3所示 兰州交通大学毕业设计 论文 BC B 150cm 100cm 图3 3 自由摆逆时针旋转角度示意图 通过分析摆杆摆动的角度和平板相对水平方向的转动角度 建立数学方程式 6 经 数学计算可得步进电机旋转角度 cos100100 sin100150 arctan 90 180 若自由摆顺时针旋转时为了使激光笔照射到中心线上 步进电机需要顺时针旋 转角度如图3 4所示 150cm 100cm BC B 图3 4 自由摆顺时针旋转角度示意图 经数学计算可得自由摆顺时针旋转时步进电机旋转角度 兰州交通大学毕业设计 论文 sin100150 cos100100 tan a rc 4 电路与程序设计 4 1 电路设计 4 1 1 驱动步进电机模块 本模块采用达林顿ULN2003驱动四相六线步进电机 电机的转速 停止由 AT89C52单片机所给达林顿ULN2003驱动器的脉冲信号频率和脉冲数 电路设计如图4 1 所示 图 4 1 驱动步进电机电路截图 4 1 2 角度检测模块 兰州交通大学毕业设计 论文 本模块采用滑动变阻器代替实物角度变化量 通过改变滑动变阻器电阻值来模拟 角度变化 并采用TLC549AD转换器进行角度转换 7 角度检测电路连接如图4 2所示 图 4 2 角度检测电路截图 4 1 3 显示器模块 本模块采用1602LCD显示器实时显示自由摆角度变化 其电路如图4 3所示所示 图 4 3 显示模块电路截图 4 1 4 系统电路 本系统采用TLC549AD转换器转换单摆摆动角度并用LCD1602显示角度 利用单 片机接收信号并控制步进电机来控制平板转动 系统电路设计如图4 4所示 兰州交通大学毕业设计 论文 图 4 4 系统设计电路截图 4 2 程序设计 4 2 1 Keil 软件介绍 Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统 与汇编相比 C语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有明显的优势 因而易学 易用 Keil提供了包括C编译器 宏汇编 连接器 库管理和一个功能强大的仿真调试 器等在内的完整开发方案 通过一个集成开发环境 uVision 将这些部分组合在一起 运行Keil软件需要WIN98 NT WIN2000 WINXP等操作系统 如果使用C语言编程 那么Keil几乎就是不二之选 即使不使用C语言而仅用汇编语言编程 其方便易用的集 成环境 强大的软件仿真调试工具也会事半功倍 Keil优点Keil C51生成的目标代码效率非常的高 多数语句生成的汇编代码很紧凑 容易理解 在开发大型软件时更能体现高级语言的优势 与汇编相比 C语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有明显的优势 因而易学易用 C51工具包的整体结构 uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境 IDE 可以完成编辑 编译 连接 调试 仿真等整个开发流程 开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C 或汇编源文件 然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件 OBJ 目标文件可由 LIB51创建生成库文件 也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件 ABS ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件 以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代 兰州交通大学毕业设计 论文 码级调试 也可由仿真器使用直接对目标板进行调试 也可以直接写入程序存贮器如 EPROM中 8 4 2 2 程序设计流程图 1 程序功能描述 本系统控制程序主要功能是 利用角度和电阻值两端电压的一一对应关系 自由摆 摆动使角度变化 采集滑动变阻器两端电压的变化 通过AD转换器转采集的电压变化 数字量 再由程序计算得到角度变化的数字量 然后根据步进电机的步进角度换算成 步进电机所需要步数 单片机进行算法控制 再通过改变PWM的脉冲数 达到精确控 制电机同轴的平板转过的角度 2 程序设计思路 由于单片机采集到的是电压的模拟量 而自由摆旋转的角度和电阻两端的电压成线 性关系 因此 必须经过A D转换为数字量 再根据电压量与角度的一一对应关系 计 算出该给步进电机多少脉冲 实现对电机的控制 由此 程序设计流程图如图4 5所示 9 兰州交通大学毕业设计 论文 开始 系统初始化 角度检测 有角度变化 计算角度变化值 0 电机转动电机停止 结束 否 否 是 电机控制程序 是 图 4 5 程序设计流程图 兰州交通大学毕业设计 论文 5 Protues 仿真测试及分析 5 1 Protues 软件介绍 Protues软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件 它不仅具有其它 EDA工具软件的仿真功能 还能仿真单片机及外围器件 它是目前最好的仿真单片机 及外围器件的工具 虽然目前国内推广刚起步 但已受到单片机爱好者 从事单片机 教学的教师 致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐 Proteus是世界上著名的 EDA工具 仿真软件 从原理图布图 代码调试到单片机与外围电路协同仿真 一 键切换到PCB设计 真正实现了从概念到产品的完整设计 是目前世界上唯一将电路 仿真软件 PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台 其处理器模型支持 8051 HC11 PIC10 12 16 18 24 30 DsPIC33 AVR ARM 8086和MSP430等 2010 年增加Cortex和DSP系列处理器 并持续增加其他系列处理器模型 在编译方面 它也支持IAR Keil Protues可提供的仿真仪表资源 示波器 逻 辑分析仪 虚拟终端 SPI调试器 I2C调试器 信号发生器 模式发生器 交直流电 压表 交直流电流表 理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用 除了现实存 在的仪器外 Protues还提供了一个图形显示功能 可以将线路上变化的信号 以图形 的方式实时地显示出来 其作用与示波器相似 但功能更多 这些虚拟仪器仪表具有 理想的参数指标 例如极高的输入阻抗 极低的输出阻抗 这些都尽可能减少了仪器 对测量结果的影响 在Protues搭建好原理图后 调入已编译好的目标代码文件 HEX文件 可以在 Protues的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程 Protues是单片机课堂教学的先进 助手 Protues不仅可将许多单片机实例功能形象化 也可将许多单片机实例运行过程 形象化 前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果 后者则是实物演示实验难以 达到的效果 它的元器件 连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应 这在相 当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能 例 元器件选择 电路连接 电路检 测 电路修改 软件调试 运行结果等 课程设计 毕业设计是学生走向就业的重要 实践环节 由于Protues提供了实验室无法相比的大量的元器件库 提供了修改电路设 计的灵活性 提供了实验室在数量 质量上难以相比的虚拟仪器 仪表 因而也提供 了培养学生实践精神 创造精神的平台 随着科技的发展 计算机仿真技术 已成为 许多设计部门重要的前期设计手段 它具有设计灵活 结果 过程的统一的特点 可 使设计时间大为缩短 耗资大为减少 也可降低工程制造的风险 在单片机开发应用 中Protues也能茯得愈来愈广泛的应用 兰州交通大学毕业设计 论文 5 2 Protues 仿真测试电路 本系统仿真测试电路如图 5 1 所示 图 5 1 系统仿真测试电路截图 5 3 测试数据 测试结果如表 5 1 表述 表 5 1 测试结果 次数12345678 显示器 角度 604530200 20 45 60 电机转 过角度 57 8 42 21 15 8015 847 263 误差2 2394 204 22 73 兰州交通大学毕业设计 论文 从表 5 1 可以得出电机转过角度与设计要求存在一定偏差 具体分析详见下文 5 4 测试分析 1 自由摆转动由角位移采集数据 经处理器计算控制电机转动的过程需要消耗一 定的时间 在这一定的时间之内自由摆又转动了一定的角度 因此 电机的转动总是 晚于自由摆当时的角度产生误差 2 步进电机的转动非无极转动 当需要转动的角度较小时无法刚好转动需要的角 度产生误差 兰州交通大学毕业设计 论文 结 论 此次基于自由摆的平板控制系统设计 以单片机为控制核心 采用TLC549A D转 换器实时转换自由摆旋转角度及方向信息 并通过步进电机开环控制平板旋转角度 以实现控制要求 在一个周期里 平板角度调整速度快 平板旋转角度误差基本在15 度以下 能够实现硬币滑动无跌落 本系统设计基本上能够达到设计要求 在测试和分析过程中可以得到以下结论 1 采用高性能步进电机及配套的步进电机驱动器 该步进电机最小步进角为1 8 度 且可对步进电机进行四细分 八细分 十六细分可调控制 进而实现步进电机的 微小精确控制 此外 该步进电机具有较短的响应时间 经理论计算可完全满足平板 保持动态水平的实时性要求 2 电机转动3周 平板可以随着摆杆的摆动而旋转3周 摆杆摆一个周期 平板旋 转一周 偏差绝对值