承重平台的设计.doc

承载平台平衡调整系统 A 题 本科组 摘要 本设计制作一个可调节平台平衡的系统 以 AT89S52 单片机为核心控制芯 片 利用水平传感器检测平台的倾角 水平传感器输出的电压信号通过 TLC2543 数模转换芯片进行 A D 转换 然后送入单片机处理 再配合机械传动 调节平台支架的伸缩从而令平台回复平衡状态 同时使用最小系统板上的 HD7279 驱动数码管显示平台当前倾角值 整个系统的设计结构合理 状态平稳 调节准确迅速 能很好地达到赛题中的各项要求 关键词关键词 水平传感器 伸缩杆 A D 转换 目录目录 引言引言 1 一一 方案设计方案设计 1 1 角度测量模块 1 2 电机及驱动模块 1 3 A D 转化模块 1 4 LED 数码管和键盘驱动模块 2 二二 系统设计系统设计 2 2 1 总体设计 2 2 2 理论分析与计算 3 2 3 电动机驱动电路设计 3 三三 软件设计软件设计 4 四四 系统测试系统测试 5 4 1 调试方法 5 4 2 测试数据 空 6 4 3 测试结果分析 空 6 五五 总结总结 6 参考文献参考文献 7 附录附录 7 附 1 元器件明细表 7 附 2 仪器设备清单 7 附 3 电路图图纸 8 附 4 程序清单 10 引言 本设计所制作的承载平台平衡调整系统既能够承载重物 又能调整平台平衡 和测定平台倾角 选用 AT89S52 作为系统的核心控制芯片 通过控制 HD7279 驱 动数码管实时显示平台长边和宽边的倾角值 使用水平传感器检测平台的倾角 对应输出的电压信号经 TLC2543 转换后送入单片机处理输出信号控制步进电机 运转 再通过机械传动装置调节平台的平衡 并且它的调节精度达到 1 5 调整时间在 11 秒以内 本设计方案稳定可靠 很好的完成了比赛的各项指标 一一 方案设计方案设计 1 1 角度测量模块角度测量模块 方案一 选用角度传感器 能感受被测角度并转换成可用的输出信号 通 过计算旋转角度很容易测出位置和速度 但速度太慢或太快时 RCX 在精度的 检测和计数方面会受影响 方案二 选用水平传感器 也能感受被测角度并转换成可用输出信号 通过 TLC2543 采样 直接可以输出角度量 精度达到 0 1 符合题目要求 两个方案比较 选择方案二 2 2 电机及驱动模块电机及驱动模块 方案一 电机选用直流电机 驱动部分采用电阻网络或数字电位器调整电 动机的分压 从而达到调速的目的 但是电阻网络只能实现有级调速 而数字 电阻的元器件价格比较昂贵 并且直流电动机的电阻较小 电流较大 分压会 降低效率 方案二 电机选用直流电机 驱动部分采用继电器对电动机的开关进行控 制 通过开关的切换对电动机的速度进行调整 这个方案的优点是电路较简单 缺点除了继电器的响应时间慢 机械结构易损坏 寿命较短 可靠性不高外 方案三 直接用步进电机及其驱动器 SM 202A高性能细分驱动器驱动步进 电机 用I O口输出脉冲驱动电机转动 能够精确控制电机的转动速度 控制伸 缩杆 三个方案比较 选择方案三 3 3 A DA D 转化模块转化模块 方案一 逐次逼近型A D转换器如TLC2543等 逐次逼近型A D转换 一般具有采样 保持功能 采样频率高 功耗比较低 是 理想的高速 高精度 省电型A D转换器件 高精度逐次逼近型A D转换一般都 带有内部基准源和内部时钟 基于80C52构成的系统设计时需要外接电阻和电容 方案二 双积分型A D转换器如ICL7135 ICL7109等 双积分型A D转换器若与逐次逼近型 A D 转换器相比较 因有积分器的存在 积分器的输出只对输入信号的平均值有所响应 所以 它突出优点是工作性能 比较稳定 抗干扰能力强 精度较高但它的缺点是速度慢而且电路比较复杂 两个方案比较 选择方案一 4 4 LEDLED 数码管和键盘驱动模块数码管和键盘驱动模块 方案一 可直接通过单片机控制 LED 数码管和键盘实现其功能 其特点是 无需外部电路 需要多个 I O 口 占用了单片机的较多资源 方案二 用一片7279芯片来驱动数码管和键盘 简化了接口引线 减小了 软件对键盘和显示器的查询时间 提高了单片机的效率 节省了资源 两个方案比较 选用方案二 二二 系统设计系统设计 2 12 1 总体设计总体设计 根据题目的要求 经过仔细分析 充分考虑各种因素 制定了整体的设计方 案 以单片机 AT89S52 为核心 完成多个功能 通过水平传感器测试平台的角 度 通过 TLC2543 完成 A D 转换 单片机控制步进电机的转速来控制伸缩杆 控制 7279 实现处理键盘数据 和数码管显示 采用 7279 作为键盘和显示器接 口控制器 不仅简化接口引线 而且减小了软件对键盘和显示器的查询时间 提高了单片机的利用力 A D 转换是通过 TLC2543 实现 由于是串行输入结构 能够节省 51 系列单片机 I O 资源 且价格适中 分辨率较高 单片机直接通过 步进电机控制伸缩杆 改变平台的状态 同时单片机通过水平传感器传来的信 号 让数码管显示平台的倾角 系统框图如图 1 所示 数码管 显示 水平传感器 图 1 系统框图 2 2 理论分析与计算理论分析与计算 2 2 12 2 1 倾角检测原理倾角检测原理 我们是通过万用表和量角器测量多组数据 利用 Matlab 软件绘制图像 拟合曲线 得出倾角公式 具体实现如下 万用表测得水平传感器输出电压和量角器测得的对应角度表 电压 伏 0 5280 7781 1221 5242 5333 5223 934 254 5 倾角 度 90 60 45 30030456090 Matlab 绘制的插值图和拟合图如图 2 和图 3 所示 图 2 插值图 图 3 拟合图 根据 matlab 软件和推导得到公式 1 再由傅里叶极数和反函数将 1 化为 单片机系统 7279 TLC2543 步进电机 伸缩 杆 键 盘 2 2 22 2 2 调平算法调平算法 在平台长 宽两边各放一个水平传感器 通过程序的控制 调节平台 先 让平台长边的水平传感器传出的的信号使数码管的显示近视为零 允许误差在 1 度以内 接着再调试平台 同样是数码管显示近视为零 即所展现的平台是 水平的 2 32 3 电动机驱动电路设计电动机驱动电路设计 SM 202A 可以驱动两相和四相电机 为了取得最满意的驱动效果 需要选 取合理的供电电压和设定电流 供电电压的高低决定电机的高速性能 而电流 设定值决定电机的输出力矩 步进电机 86HY 是四相六线 我们只用二线和 SM 202A 驱动器连用 步进电机的四线红 绿 黄 蓝线分别按顺序接 SM 202A 的 A A B B 输入接口电路如图 4 所示 图 4 输入接口电路 三三 软件设计软件设计 软件流程图如图 5 所示 按键 开始 采集长 宽缴费 读并显示 长边倾斜 是否达要求 是否设宽 是否达要求 是否设置调平 宽是否平 长是否调平 是否有按键 设置x y角度并显 示 N N N N N NN Y Y Y Y Y Y Y 图 5 软件流程图 四四 系统测试系统测试 4 14 1 调试方法调试方法 第一步 通过水平传感器测试平台长边倾角 通过按键倾角在 20 度以内变化 第二步 通过水平传感器测试平台宽边倾角 通过按键倾角在 20 度以内变化 第三步 任意角的调节 第四步 调平 4 24 2 测试数据测试数据 数据记录如图六所示 预设角度 x y 单位 测量角度 x y 单位 误差调平时间 单位 s 0 0 5 10 10 10 15 15 20 20 20 20 图六 数据记录 4 34 3 测试结果分析测试结果分析 根据以上测试结果可知 该系统已具备题目要求的基本功能和发挥功能 测 试角度比较准确 但客观原因是避免不了的 总会存在误差 实际值和测量值 相比较 有一定的误差 但我们已经将误差降到题目要求的范围内 经过分析 误差主要来源有 A D 转换的数据采集 水平面的标准 五五 总结总结 本设计基本完成了题目的基本部分和发挥部分的要求 在系统的设计过程 中 我们力求硬件线路简单 充分发挥软件编程方便的特点 并最大限度挖掘 单片机片内资源 来满足系统设计要求 在操作的过程中 遇到的最大问题就 是水平面的调节 比如桌子的平面不一定是水平的 把水平传感器放在上面 总会有误差 因时间的短促 器材的加工比较粗糙 只能完成题目的基本功能 和发挥功能 没有在这个基础上创新 如果在更好的环境下 就能够对系统的 功能的提高和完善 参考文献参考文献 1 阎石 数字电子技术基础 第五版 北京 高等教育出版社 005 2 童诗白 华成英 模拟电子技术基础 第三版 北京 高等教育出版社 001 3 张毅刚等 新编 CS 51 单片机应用设计 第三版 哈尔滨 哈尔滨工业 大学出版社 2003 4 郭天翔 新概念 51 单片机 C 语言教 入门 提高 开发 拓展全攻略 北 京 电子工业出版社 2009 5 谭浩强 C 程序设计 第三版 北京 清华出版社 2005 6 黄智伟 全国大学生电子设计竞赛训练教程 北京 电子工业出版社 2004 附录附录 附附 1 元器件明细表元器件明细表 1 单片机 AT89S52 2 7279 芯片 3 TLC2543 芯片 4 两个水平传感器 5 继电器 6 步进电机 7 伸缩杆 8 平台 9 砝码 10 电源 11 ISP 下载线 附附 2 仪器设备清单 仪器设备清单 1 万用表 2 量角器 3 水平仪 附附 3 电路图图纸 电路图图纸 VCC P24 P25 P26 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 P17 P17 P16 RST P15 P16 P15 GND GND VCC RST RST P10 P11 P12 P13 P14 PSEN ALE P37 P36 P35 P34 P33 P32 P31 P30 P20 P21 P22 P23 P27 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36 P37 RST PSEN ALE DQ CS1 CS2 V0 RESETB LED A LED K A B C D E F G DP DIG7 DIG6 DIG5 DIG4 A B C D E F G DP DIG3 DIG2 DIG1 DIG0 P36 P35 P37 P34 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 AT89C51 AT89C512 3 4 5 6 7 8 9 1 RP10K 10k 1 1 3 3 5 5 7 7 9 9 2 2 4 4 6 6 8 8 10 10 ISP ISP1 CRYSTAL CRYSTAL C2 20p C3 20p GND SW17 R17 200 R18 1k GND 33UF 33uf VCC VCC p00 1 p01 2 p02 3 p03 4 p04 5 p05 6 p06 7 p07 8 p20 9 p21 10 p22 11 p23 12 p24 13 p25 14 p26 15 p27 16 p10 17 p11 18 p12 19 p13 20 p14 21 p15 22 p16 23 p17 24 p30 25 p31 26 p32 27 p33 28 p34 29 p35 30 p36 31 p37 32 rst 33 psen 34 ale 35 dq 36 cs1 37 cs2 38 vo 39 resetb 40 A 41 K 42 TER1 TER1 a A b B c C d D e E f F g G dp DP led4 LED4 led3 LED3 led2 LED2 led1 LED1 LED2 SM420364 a A b B c C d D e E f F g G dp DP led4 LED4 led3 LED3 led2 LED2 led1 LED1 LED1 SM420364 AIN1 2 AIN2 3 AIN3 4 AIN4 5 AIN5 6 AIN6 7 AIN7 8 AIN8 9 AIN9 11 AIN10 12 REF 14 REF 13 AIN0 1 SDO 16 SDI 17 CS 15 EOC 19 CLK 18 U2 TLC2543 DIG1 DIG0 SB SC SD SE SF SG SBSC SD SE SF SG DIG7 DIG6 DIG5 DIG4 DIG3 DIG2 DIG1 DIG0 SB SC SD SE SF SG SDP SA SDP SDP SA SA P20 P21 P22 P23 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36 P37 RST PSEN ALE DQ CS1 CS2 V0 RESETB LED A LED K R1 270 R2 270 R3 270 R4 270 R5 270 R6 270 R7 270 R8 270 R22 10k R23 10k SW16SW8 S