【毕业学位论文】（Word原稿）基于自由摆的平板控制系统设计-计算机技术

1 基于自由摆的平板控制系统 设计 摘要 : 本系统 采用 8位精简指令集高性价比 的 为 主控芯片 ， 利用步进电机驱动平板 的转动 。 模拟 倾角传感器 测量， 三轴数字 加速度传感器 现平板倾角 的测量。 利用延时方式对步进电机进行精确无重叠的控制，配合 2个传感 使 整个系统构成闭环 控制系统 。 系统的功能切换靠 4位拨码开关实现，部分触发功能利用按键进行触发。 系统配备 12864液晶屏用于显示调整时间和文字提示等功能 ，整体构成一个良好的人机交互界面。整 个系统在程序的协调下正常稳定的运行，较精确的达到了题目的各项指标要求。 关键字： 自由摆控制 ， 步进电机， 倾角传感器 三轴 加速度传感器闭环系统 2 一、方案论证与比较 1 系统控制 方案论证与比较 方案一： 开环 控制 方式 系统只采用 1个 倾角传感器测量摆杆摆角，再利用三角函数关系得到电机转角，即平板转角。这 种 控制 方 式的主要优点是系统软硬件的设计相对简单， 但对于材料形变、摆杆 尺寸 及电机安装精度等诸多 因素引起的误差系统没有自适应 性，难于进行实时校正 。 一旦运行时间较长，系统误差积累将导致控制失败。 方案二： 闭环 控制 方式 系统采用 2个 角度 传感器 ：一个用于测量摆杆的摆角，另一个用于 测量平板 倾角。2 个传感器 构成闭环的控制 系统 ， 使系统产生的各种误差都能通过 2 个传感器的相互对比校正加以消除，从本质上解决系统误差的影响 。 对比以上两 方案， 考虑到系统控制精度要求高，因此选用方案二构建系统。 2模块方案论证与比较 控芯片 方案一： 选用 51系列单片机 51系列单片机具有开发简单、资料和应用实例丰富、技术成熟以及价格低廉等优势，但是由于采用的 是复杂指令集，限制了其运行速度，并且系统资源很少。片上没有集成时下常用的 接口或功能，这大大的限制了它的使用范围 。 因此， 51单片机只适用于一些精度要求不高，对成本敏感的控制场合。 方案二： 选用 列单片机因其较高的性价比，已被广泛应用到多个行业和领域 。另外据笔者了解，国内好多企业在使用 此对 定会对今后的就业提供较大的帮助 。 在笔者看来其主要 有以下显著优点 ：（ 1）提供 真、下载接口， 降低 了开发成本 和 开 发难度；（ 2） 精简 指令系统， 可适用于高速控制应用场合；（ 3）内部集成资源 较为 丰富，如集成 的 A/D 模块 、多串口和多定时计数器 等；（ 4） I/O 口驱动能力 强 ， 可 直接驱动 鸣器和电机驱动器 ，可简化电路设计，降低系统成本 ；（ 5）集成 了 基于自由摆的平板控制系统 对控制的精度要求高 、 数学 运算 量大、外围芯片和器件多 ， 需要采用处理速度快的单片机。 鉴于以上分析，采用 为主控芯片 。此 3 外，在此之前我们一直用 芯片比较了解，用起来相对熟悉。 角测量 模块 方案 一： 加速度传感器 加速度传感器属于一种 用 重力加速度在某个 方向的分量通过反三角函数 计算出这个方向的 倾角。 在本系统中，摆杆倾角属于系统核心初级测量参数，其准确度将直接影响到整个系统的精度和可靠性。利用 c 语言的头文件 的反三角函数， 16振的 片机根据加速度计算倾角至少需要 300合本系统的实时性要求， 它将会影响到系统的动态监控。 方案二： 机械电位器 将机械电位器组成串联电阻分压形式，利用机械电位器的工作原理，可实现摆杆倾角测量。但通过笔者对实验室现有的机械电位器实测， 发现其旋钮的旋转角度与阻值的数学关系较为复杂，而不是简单的线性关系，要在短时间内得到两者间的数学关系，并非易事，但可作为大赛结束后的一个研究问题，并有一定的工程价值和实际意义。 方案三：倾角传感器 倾角传感器根据其测量结果的输出形式，有模拟式和数字式两种。 模拟式需要后续调理电路，数字式可直接供单片机读取，但需要一些握手协议。综合考虑，数字式比模拟式有较好的优越性，但从实际出发，实验室有前课题余有的一种模拟式倾角传感器 基于 对 以上 三 种方案 的比较 ， 采用 倾角传感器 实现摆杆倾角测量 ，并且作为系统的主 要数据来源。 采用 加速度传感器 实现 平板的偏 角测量 ，并作为辅助数据来源 。 机 模块 方案一：直流电机 直流电机运行平稳，加速减速柔和，不会有突然的大的颤动，而且功耗低，但是直流电机的运行角度不好控制尤其在这种相对高精度的系统中，电机的运行精度尤为重要，其运行误差将会严重影响系统的稳定性。 方案二：步进电机 步进电机运行可以精确定位，给相应的脉冲个数会有相应的步数运行，这使其最大的优点，也是对本系统最有帮助的一点。 考虑到系统的实时性及高精度，本方案采用方案二。 4 盘模块 方案一： 矩阵键盘 矩阵键盘 占用较少的 便可实现对多个按键的响应，节省 ，节省单片机的资源。 方案二： 独立键盘 一个按键接到一个 按键按下时便可对其进行响应，执行响应的程序。 由于考虑到本系统的硬件结构非常简单，单片机的 资源充裕，因此采用了方案二，以简化编程 （键盘模块原理图如下图所示） 。 图 态指示模块 结合题目 发挥部分的第一步要求的系统当激光笔制定中线位置后给出 我们采用声光结合的指示报警 方案 。 在发光方面，考虑到体积和功耗的因素，使用有源蜂鸣器代替普通的扬声器；在发光方面 ，考虑到电路的简易程度、功耗和电源的因素，系统采用发光二极管显示 （ 声光指示电路 如下 图 所示 ） 。 图 理图 示模块 方案一： 数码管显示 数码管显示快速，但是占用 且显示的内容有限。 方案二： 液晶显示 结合本题，为了调试更加方便，本系统采用 可以节省单片机资源， 且操作灵活，显示内容丰富。 5 考虑需要很多的调试，本系统采用了 示。 其电路连接图如下： 图 二、硬件 实现和电路 设计 基于方案的论证 选择和题目的要求，结合 我们 相关的实验验证， 设计 的系统 由以下模块构成： 自制的 单摆支架； 主 控 芯片； 以 块 ； 采用 轴加速度传感器为平板角度检测 模块 ； 采用 步进电机 为 平板驱动 ； 有源蜂鸣器 、 发光二极管声光指示模块 ； 采用 6 图 统总原理图 1. 主控芯片 可以快速 的计算出 角度的运算 ，并且 由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，数据吞吐率高达 1 而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾 ，提高系统的稳定性和增强系统的实时性。 2 摆角采集模块 本系统将模拟 角传感器，该传感器能检测正负 90 度得范围，其线性范围在正负 60度非常 好，当摆角为 负 60度到正 60 度变化时，其输出为 340 4560论上精确度小于 将修改传感器 安装在支摆的转轴上，当支摆转过一定角度时，角度传感器会 输出一定的电压值， 然后将该电压通过 12 位 片 行采样，将摆角转动时倾角传感器输出的模拟量转化为单片机可以操作的数字量。 图 度传感器 3平衡监 测模块 采用三轴加速度传感器 置在传板的底面，保证 测量的角度为转板的实时角度，然后通过 片机进行处理 算数平板的当前角度值，然后由控制芯片控制平板进行相应的调整，采用以摆架上的 平板上的 电机的转动， 7 使其形成闭环系统，以便精确定位 。 图 轴加速度传感器模块与电压转换 电平转换问题： 在 明该手册要求当该芯片与外部 5V 供电的系统通信时要经过电阻电压变换，把 5V 转变为 当把 线 与 信误码率很小，但是当把 度传感器安装到平板上后然后通过长线与 信会产生很大的误码率，经过 许多次改进与测量电路，其中包括通过屏蔽线通信、通过双绞线通信等，但是都为消除无码，后经过老师的知道分析，我们将 极管 电平转换为 号后发现通信可以正常通信，误码率得到了有效地控制。其原因是：电阻电压变换会使电流降低，从而导致芯片内部工作无法正常进行，而三极管电平转换，不影响电流，只是起到一个电压转换的作用，因而不影响芯片内部工作的正常进行。 图 片机与 的电平转换 步进电机要有较大的电压和电流才能保证电机的正常运 转，通常电压要大于 8V，而且当电机低速运行时会产生一定的抖动 。本系统采用的是 35机，了正常驱动步进电机的工作，本系统采用了步进电机专用驱动模块 8 只要给以一定频率的脉冲信号，可以输出较大的电流，模块带有压控分频功能可以减小电机运行时的抖动，避免硬币等因为电机的抖动而划出指定区域，可以使系统很流畅的工作 。 表 进电机驱动模块功能表 数） U/D V） 方 向 所转度数 1 5 正向 1 0 5 反向 1 三、软件设计 1. 步进电机控制 步进电机是本系统的基础单元，是系统稳定进行的 首 要条件， 而步进电机有着自身的要求，本系统中使用的 35进电机，启动频率小于 600停频率小于600以大于此频率启动或者停止时，电机会发生严重的颤动，使系统的稳定性及精度受到极大的影响，本系统的步进电机启动模型为下图。 f/500 600 t/s 图 进电机控制图 2 总体 算法实现 本系统基础部分要求为高稳定性，发挥部分要求为高精度性，用速度不是很快的 普通 步进电机 和处理速度较慢的 要想达到这样的平稳性和高精度，必须要加以能够快速处理的算法。 采用实时跟踪：定期的通过 后通过三角函数之间的角度边长关系，通过数学运算，得知每一状态时的平板和电机的状态，再上一状态的 9 对本次状态进行响应的调整 ，这种需要处理器有极高的速度，且步进电机反应要灵敏。 采用 法： 法是， 按偏差的比例（ P）、积分（ I）和微分（ D）进行控制的 制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 。在这里我们采用了 法的思想，对下几个时刻做出相应的预测，然后调整步进电机的转动角度，进而控制平板及激光笔的运行方向，增加系统的稳定性与灵活性。 板旋转一周 题目中要求支架为自由摆结构，虽然其不是单摆运动，其周期无法通过公式正确的算出来，但是我们知道其没运动一周的周期的固定的，经过大量的实 验，取平均值我们测出其摆动周期为 在程序里可以控制电机在每一个自由摆的时钟周期内平滑转一 周 。 数学模型： 表 s) 10个周期以内周期 测量次序 周期数 （次） 总时间 （ s） 每一周期 （ s） 统计周期（ s） 1 10 10 10 10 10 10 实验可知摆杆没运行一 周的周期为 当摆杆转动时间时，电机也转完一圈，为了使电机随摆杆圆滑转动，可以设置电机转动的速度为： /T t) 2 保持硬币的平衡 为了保持硬币在放开摆之后能够稳定的处于平板的中心位置，要求硬币不要有任何的滑动。影响硬币的滑动有 2个原因：一是摆自由旋转之后，由于硬币和平板之间是完全没有任何粘连的，此时硬币会处在失重状态，与平板间的摩擦力最小，而平板有向圆 10 心的加速度，从而使硬币脱离平板而滑落到地面上 。二是为了使硬币跟上平板的变化，我们在支摆摆动的瞬间通过控制步进电机的 转动给硬币一个指向圆心的向心力，此力 稍有些大便使硬币弹出平板而脱离。 自由摆是一种近似的简谐运动，其物体的向心加速度为 g 刚刚摆动时平板的向心加速度最大，此时应给以硬币以一定的向心加速度的补偿，由以上计算可得，平板给予硬币的补偿角度应随着单摆的周期的推移成 关系。既开始最大，以后快速的减下去，最后到达平衡。 硬币与平板与支架的角度垂直后，便作着一种单摆运动，硬币在摆动的切线方向不受力的作用，只在沿摆杆的反方向上存在力的作用，会保持一种稳定的状态。 数学模型： 图 币平衡条件 如图所示，当平板转到与摆杆垂直之后，硬币便做单摆运动， 但是多少时间平板摆动到该位置，才能保证硬币不被弹出去，受力分析经计算 给平板的第一步角度为 之后再进行响应的微调，但是不要超过于 角太多，以防硬币滑落。 2 1 激光笔在启动后 15s 内打到指定的线上 激光笔固定在平板上，要保持当摆架摆动一定角度后，在 15有非常高的精度 ，而步进电机转动时会有一定的误差，系统度角度时也有一定的误差，此时就需要有一个闭环控制系统，来矫正支架上的摆角 传感器所测量的摆角，采用逐步逼近式的方式来精确控制步进电机转到一定的角度，使激光笔所发出的光点打在一条线上。 11 数学模型 : 图 每次要平板转动，并且使激光笔打到平板平行时激光点打的位置，则有以上三角形可以计算的，所转的角度为： （ 150 （ 100 所转度数为 = 所转步数为 摆杆在中心线左端时： （ 150+100（ 100 所转度数为 = 所转步数为 转完之后 ,再由单片机读取 出的平板角度 ,验证是否等于 ,若 = ,则证明光点已经指到了正确位置 ,无需在调整 ,若 ,则控制电机逆时针方向旋转 ( 的度数 ,一直调整 ,直到=为止。 2. 2 自由摆动运动过程中保持激光笔打在同一条线上 激光笔固定在平板上，要保持当摆架摆动一定角度后，在 摆杆摆动的过程中 将光点调整到平板在最低点时对应的细线上，要有非常高 的精度 和动作的柔和性 ， 同上步一样，也由 起配合来实时调节激光笔将光点打到最初时的细线上，这就 12 需要系统时刻知道该时刻和下一时刻的状态，然后根据当前的状态调整自己的步数，然后转相应步数，使激光时刻打在相同的位置 。 数学模型： 图 角示意图 假设 摆杆由 点的过程中，由上步可知： = （ 150） （ 100） 所转度数为 1= 1 = （ 150）（ 100） 所转度数为 2= 2 从 点 所转角度为 = 1 所转步数为 13 N Y 图 挥部分 2的程序流程图 四、电路安装与系统 测试 1系统 电路安装 本系统为提高摆角的精确度，最小化其受到摆杆摆 动及电机震动的影响，将倾角传感器安装到摆杆的中心转轴上，每当摆杆转动一定角度便可方便的通过传感器读到其值。在平板的下面安装上 制板安装到系统的其它地方，系统组装时，机械部分一定要牢固，不能有任何颤动，以免影响系统的稳定。 2 系统 主要技术指标测试 通过秒表计时， 毫米尺测距， 多次测量取平均的方法进行检测 。 开始 读单摆角度值 存储该值并与上一次值进行比较 根据差值电机转动一定步数 读平板上 平板是否转动算的度数 根据差值继续转动一定步数 与理论值偏差4 14 表 3 系统测试内容及结果 类型 序号 项目指标 测试记录 备注 基本要求 （ 1） 平板 随着摆杆自由摆动而旋转 （ 3 完成 误差 10 （ 2） 放置 1枚 硬币（ 5个周期） 完成 硬币有少许移动 （ 3） 放置 8枚硬币（ 5个周期） 完成 硬币偶尔脱落平板 发挥部分 （ 1） 激光在 15s 内打到指定点上 完成 误差 2 2） 激光动态的打在某一线上 完成 误差 10它 （ 1） 3. 测试结果分析 从 统计 测试的结果 中可以看出，有一些误差存在，其原因有三： （ 1）是倾角测量仪有一定的误差，通过 换后得到的数据也有一定的误差，但是该误差经过测量很小，为了尽可能的减小此误差的方法是多次测量取平均值。 （ 2）是 轴加速度传感器有