基于自由摆的平板控制系统(7组).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摘要:该设计主要由LM3S1138单片机作为控制中心，以两个导电塑料角位移传感器WDS35D采集平板旋转的角度作为数据采集模块，双中英文液晶作为显示模块，THB6128作为驱动模块。角位移传感器测量平板转过的角度，通过AD采样转化为电压值传给单片机，单片机再通过控制输出的PWM波控制电机的旋转进而控制平板的准确转动。该系统实现了摆动过程中多枚硬币在平板上不滑动，激光笔光斑始终准确照射在靶纸的中心线上，另外又实现了液晶显示摆杆转过的角度，还增加了显示温度日期音乐等功能。关键词：LM3S1138；WDS35D；步进电机；PWM波；THB612881 系统方案1.1 总体方案与系统框图通过AD采样将角位移传感器WDS35D采集平板旋转的角度转化为电压值传给单片机，单输出控制电机转过的角度。通过一个按键切换显示的功能。系统总框图见图1。 图1 系统总框图1.2 方案论证与设计根据设计要求，整体方案划为数据采集模块，显示模块，驱动模块。为了实现个模块的功能，本设计进行了方案设计与论证。1.2.1 控制器的选择方案一：采用常用的51系列单片机进行控制。此方案优点是成本低，运用比较广泛，容易上手。但是该种单片机能够使用的片内外设资源有限，只能实现一些简单功能，需要外接A/D。方案二：采用LM3S1138，该单片机是用ARM Cortex-M3处理器内核来设计的。是满足小存储要求解决方案、简化管脚数以及低功耗三方面要求的高性能、低成本的一款单片机。可以工作在50MHz的频率下，具有PWM波输出功能，多路中断，并设有内部优先级，处理速度快，并且还有多个GPIO，多个AD转换端口等。综上考虑：由于该设计需要多个AD采样端口，且需要PWM波的输出，而51系列单片机不具备这些功能，因此选择方案二。1.2.2 驱动类型的选择方案一：采用THB6128。低功耗，多种细分，高细分，满足不同的转速需求，电机运行稳定，无噪音，不失步。方案二：采用L298N。内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器。八个二极管保护电机，防止电流过大反向流回控制端，大电容滤波，滤除杂波干扰。但无细分功能。综上考虑：当电机低速运行时，由于相序转换造成的速度冲击和惯性，电机转子在平衡位置反复震荡，影响运行精度，并产生比较大的噪音。因此选择方案一。1.2.3 数据采集模块的选择方案一：采用水银开关。水银开关价格便宜，原理简单，但输出开关量不能线性调整。易受到震动干扰，由于本系统角度变化较快，对精度的要求较高，所以水银开关难以应用。方案二：采用导电塑料角位移传感器WDS35D，其测量范围为0360，输出电压范围与输入电压有关，输出精度为1mv，测量精度为0.1度，线性度好，长期稳定性好，灵敏度高，可以实现对角位移的精确测量。综上考虑：该系统对角度采样精确度要求较高，因此选择方案二。2 电路分析与计算2.1 电路设计2.1.1 角位移传感器电路WDS35D4角位移传感器有较稳定的零位置，可以准确的测量绝对角度。通过单片机的AD采样端口，采取传感器信号，由单片机处理其电压与摆角的关系。角度传感器WDS35D的电路原理图如图2所示：图2 角度传感器2.1.2 驱动电路设计采用THB6128作为驱动芯片：低功耗，多种细分，高细分，满足不同的转速要求，电机转速平稳，无噪音，不失步。采用两片6N137高速耦隔离输入，在保护控制器的同时，更高的传输速率让步进电机工作更稳定准确。电机驱动电路如图3所示：图3 THB61282.1.3 LED灯提示电路根据题目要求，完成任务时LDE灯点亮，其电路图见附件图三。2.2 理论分析与计算自由摆的运动是连续运动是连续运动，摆末端平板的变化也是连续的渐变过程，因此我们采用PID控制算法。一般以步进电机或多圈电位器为执行器件的系统中，应采用增量式PID算法。由于本设计是对步进电机进行控制，所以采用增量式PID算法：式中，为积分系数，为微分系数。上式计算的结果反映了控制器的第k次和第k-1次输出之间的增量。PID控制图如4。图4 PID增量型控制示意图摆杆在摆动过程中要保证硬币不滑落，则摆杆与平板始终保持垂直状态。摆动过程中摆杆与平板的状态如下图5所示。图5 角度分析由几何关系可得：只有平板时刻保持转过的角度时，硬币才不会脱落。3 软件设计与流程图本系统的软件部分主要由数据采集模块，显示模块，驱动模块组成，当单片机上电后，根据不同的按键，单片机进入不同的工作模式，然后按照不同的的要求工作。软件部分可实现对读取角度传感器输出的电压信号，对步进电机进行控制，实现对LCD的输出。图6 流程图4 系统测试与结果分析4.1 测试环境 时间：2012年9月5日 温度：28 地点：室内 4.2 测试仪器 34401A六位半数字万用表；秒表；量角器；CA18303D直流稳压恒流电源；DS1022C示波器4.3测试方法首先，检查外围电路和自由摆框架，确定无误时，才开始测试整个系统。接通电源，初始化各个模块，然后推动摆杆至某一位置，在平板上逐次添加硬币，进行多次实验。记录实验数据，并分析所观察到的情况。4.4测试数据4.4.1 基本要求部分1、摆杆摆一个周期，平板旋转一周的测试数据如图表一表一 摆杆摆一个周期，平板旋转一周的情况次数1234偏差结论：摆杆摆动一个周期，平板旋转一周能完成，且偏差绝对值不超过2、一枚硬币在平板旋转5个摆动周期中的测试数据如图表二。表二 一枚硬币在平板上的情况摆角周期偏离中心的绝对距离（cm）505050.150.250.2结论：硬币在5个摆动周期中不从平板上滑落能完成，且滑离平板中心位置的距离很小可忽略不计。3、八枚硬币在平板旋转5个周期中的测试数据如表三。表三 八枚硬币在平板上的情况角度周期非重叠的个数滑落的硬币个数510500500510500结论：8枚硬币在摆杆的5个摆动周期中不从平板上滑落，并保持叠放状态能实现。4.4.2 发挥功能部分摆杆推动至一个角度后，系统在15秒钟内控制平板使激光笔照射在中心线上的测量情况如表四。表四 平板使激光笔照射在中心线上的测量情况角度周期偏离中心线的绝对距离(cm)时间（s）50.1450.4550.8650.2750.3950.71050.712结论：推动摆杆至一个角度，系统能在15秒内控制平板使激光笔照射在中心上，并且偏差绝对值小与1cm，完成时有LED指示。5 总结经过几天的设计，该系统实现了题目要求的基本功能和发挥功能，同时还实现了自己的创新功能。在这段时间里，团队努力从多方面考虑，寻求最优解决方案，尽量使作品更加完善。这次大赛增加了该团队的创新意识和团队合作意识，培养了团队的分析问题、解决问题的能力。当然，该团队的设计还存在一些小问题，还有待改进，在此要感谢指导老师。也在此恳请各位评委老师批评指正。参考文献1 华成英等 M模拟电子技术基础（第四版） 高等教育出版社2 阎石 M数字