基于自由摆的平板控制系统1

1基于自由摆的平板控制系统（B题）摘要本平板控制系统是基于PIC16F877A单片机为主控芯片，将精确电位器与自由摆顶端相连，利用角度和电阻值的一一对应关系，通过单片机采集精确电位器两端电压的变化，转换为角度数在LCD液晶屏上显示，再经过A/D转换后得出步进电机所需要的脉冲数，来控制步进电机的转动,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。本自由摆的平板控制系统的静态误差5，采用精确电位器来感应摆角的变化这一设计思路也更加简易、准确，是本系统的亮点。当自由摆摆动角度与电机旋转角度差别过大时，能够自动调整至稳定。本系统能够很精确地实现平板的水平控制，是一个很好的自由摆平板控制方案。关键字PIC16F877APID控制算法精确电位器步进电机2目录1系统方案的比较与选择311控制器的选择312算法的选择313传感器的选择313机械系统的选择32系统理论分析与计算421系统总原理框图422系统理论分析与设计5221系统设计的总体思路5222分析运算过程53电路与程序设计631硬件电路的设计6311PIC16F877A最小系统的组成6312步进电机驱动电路的组成832程序的设计8321程序功能描述与设计思路8322程序流程图94测试方案与测试结果1041测试方案1042测试条件与仪器1143测试结果及分析11431测试结果数据11432测试分析与结论1144测试基本要求（发挥）1245测试原理图（发挥）1246测试结论及分析（发挥）125结束语13附录1电路原理图14附录1源程序14附录2参考文献1731系统方案的比较与选择11控制器的选择方案一、采用最简单的51单片机采集电压数据。利用51单片机的优点是价格便宜，使用比较方便，缺点是接口少，使用时需扩展，外围电路比较多，运算处理速度不高，功耗高。方案二、利用PIC16F877A单片机对电压数据等进行处理，处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富、方便高效的开发环境。对于实现本系统的功能绰绰有余。综合比较以上两个方案，本系统选择方案二。12算法的选择方案一、采用模糊控制算法,模糊控制有许多良好的特性,它不需要事先知道对象的数学模型,具有系统响应快、超调小、过渡过程时间短等优点，但编程复杂，数据处理量大。方案二、采用PID算法，按比例、积分、微分的函数关系,进行运算,将其运算结果用以输出控制。优点是控制精度高,且算法简单明了。对于本系统的控制已足够精确，节约了单片机的资源和运算时间。综合比较以上两个方案，本系统选择方案二。13传感器的选择方案一、利用角度传感器测量自由摆的角度，例如MMA7455或者MMA7361。角度传感器往一个方向转动时，计数增加，转动方向改变时，计数减少。但是角度传感器的应用电路复杂，数据处理繁琐，编程复杂，而且成本较高。方案二、利用精确电位器与自由摆顶端相连，利用角度和电阻值的一一对应关系，通过单片机采集精确电位器两端电压的变化，来控制步进电机的转动。精确电位器的成本较低，应用电路简单，编程简便，且控制精度和线性度满足系统的要求。综合比较以上两个方案，本系统选择方案二。14机械系统的选择方案一使用直流电机。特点是驱动简单而且工作稳定，但无法精确控制4电机转数，即无法让平板精确定位。方案二选用步进电机。相比直流电机的工作方式，步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（步进角）。这样我就可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。但步进电机驱动方式较复杂，而且对脉冲的连贯性和准确性要求很高，多个脉冲输入端，要按一定的顺序依次输入正确的电平。一旦顺序错误或者输入电平不正确，会导致电机失步后，完全不能工作。对应本题的要求，精确定位无疑是必要的，而且机电结构相对简单。综合比较以上两个方案，本系统选择方案二。2系统理论分析与计算本平板控制系统是基于PIC16F877A单片机为主控芯片，将精确电位器与自由摆顶端相连，利用角度和电阻值的一一对应关系，通过单片机采集精确电位器两端电压的变化，来控制步进电机的转动,单片机对采集到的电压进行模糊控制算法,再通过改变PWM的占空比达到精确控制电机转速的目的，从而保持平板的平衡。21系统总原理框图单片机PIC16F877A精确电位器两端电压值步进电机步进电机驱动电路摆杆角度522系统理论分析与设计221系统设计的总体思路首先，应用数学方法，以支点为参考点，建立方程，推导出自由摆倾斜角与精确电位器两端电压的线性关系。通过单摆的摆动使角度变化，采集精确电位器两端电压的变化，通过AD转换获得所需要的电压变化数字量，再由程序计算得到角度变化的数字量，由于自由摆倾斜角与平台转角的角度相同能保持平板上的硬币不掉下来，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，再推导出自由摆倾斜角与步进电机所需的脉冲数的关系，从而建立起自由摆倾斜角与电机步数之间一一对应的关系，实现控制的需要。222分析运算过程如图，自由摆呈竖直状态时，精确电位器两端加上5V的电压，电阻值设定在500左右（精确电位器总电阻为1000），将自由摆拉开一定的角度，测量对应时刻的精确电位器的阻值以及此刻两端的电压值，再计算出此刻步进电机的转角及步数值。测量结果如下次数物理量123456789605040302010102030R（）548365391423450500591630651U（V）245148163184198221266281296次数物理量10114050R（）679720U（V）316328使用MATLAB制表由图可得，精确电位器两端电压随角度变化基本成线性关系，关系式为U（V）001872427773电路与程序设计31硬件电路的设计311PIC16F877A最小系统的组成单片机最小系统就是单片机正常工作所需的最基本外围器件组成的系统，由于单片机内部含有RAM和ROM及A/D转换模块，因此单片机最小系统结构比较简单，这一系统一般由电源、时钟、复位、显示、键盘、电平匹配等电路组成。在我们的设计中，我们选择了PIC16F877A作为核心控制的单片机。通过PIC16F877A的A/D转换模块，采集电压量，转化为十位的数据量。单片机最小系统原理图电源部分显示部分8最小系统板312步进电机驱动电路的组成单片机采集到精确电位器两端的电阻后，经过A/D转换，通过I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片TA8435驱动步进电机，驱动电路如下图32程序的设计321程序功能描述与设计思路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的一一对应关系，通过单摆的摆动使角度变化，采集精确电位器两端电压的变化，通过AD转换获得所需要的电压变化数字量，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的的脉冲数，达到精确控制电机同轴的平板转过的角度。92、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精确电位器两端的电压成线性关系。因此，必须通过单片机端口采样电压，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。322程序流程图10114测试方案与测试结果基本要求部分41测试方案1、测试基本要求（1）控制电机使平板可以随着摆杆的摆动而旋转（35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3045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4560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。2、硬件测试按照系统的规定要求，必须测量自由摆的固有周期和电机脉冲频率与其转速的关系，两者进行比对，从而确定该如何设置脉冲频率。3、软件仿真测试利用PROTUES软件，对电路进行仿真。仿真电路图如下1242测试条件与仪器测试条件检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测量周期必须取多次测量的平均值，将误差减小。电机旋转时，震动尽量小，旋转角度比自由摆摆动角度略小（考虑惯性）。测试仪器数字示波器，数字万用表，秒表，直尺43测试结果及分析431测试结果数据单摆自由摆动十个周期所需要的时间次数12345平均值时间（S）195519831966196119591965电机脉冲频率（转换为周期）与其旋转十周所需要的时间电机脉冲周期（S）75080085090095010001050时间（S）1213131213591431150716121694电机脉冲周期（S）1100115012001250130013501400时间（S）1763183719142007207521582231通过MATLAB制图可得由图可得电机脉冲频率与其旋转一周所需要的时间基本成线性关系，关系13式为Y00015X00769。432测试分析与结论根据上述测试数据，单摆的周期为196S，电机脉冲频率与其旋转一周所需要的时间关系式为Y00015X00769。由此可以得出以下结论1要满足摆杆摆一个周期，平板旋转一周（360）,根据函数式一一对应的关系，取电机脉冲周期为1255S，经实际检验，符合系统要求。2为满足自由摆上的硬币保持稳定，通过反复试验，电机脉冲周期为750S时，震动最小。步进电机旋转角度比自由摆摆动角度小3时，平板上硬币最稳定。结论经过实际的测试能满足基本部分的要求。发挥部分44测试基本要求（1）如下图所示，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上，标识此线为中心线。用手推动摆杆至一个角度（在3060间），启动后，系统应在15秒钟内控制平板尽量使激光笔照射在中心线上（偏差绝对值1CM），完成时以LED指示。（2）在上述过程完成后，调整平板，使激光笔照射到中心线上（可人工协助）。启动后放开让摆杆自由摆动；摆动过程中尽量使激光笔光斑始终瞄准照射在靶纸的中心线上。45测试原理图1446测试结论及分析结果根据实际测试的结果，激光笔光斑基本能够始终瞄准在靶纸的中心线上，但是有一定的误差，对于偏差绝对值小于1CM的要求，成功率不高。分析经过不断的测试和分析，产生较大的误差原因有以下几点1、人手动启动单摆，会有人为的误差。2、简易制作的单摆会前后摆动，也会产生机械误差。3、用单片机计算控制算法的时候，不过精确，也会产生误差。结论本设计能部分满足发挥部分的要求。5结束语经过辛苦的备战和四天三夜紧张的制作，终于完成了基于自由摆的平板控制系统的设计。本设计采用PIC16F877A作为设计用的单片机。对于核心采样元件的选取，本设计最终使用了精确电位器来作为获取单摆角度的工具。相对于MMA7445或者MMA7361传感器集成板而言，精确电位器在本设计的应用中具有很大的优势，更加节约简便。在系统设计过程中，在满足要求的情况下，力求硬件线路简单，节约经济来实现本设计的要求。同时也充分发挥软件编程方便灵活的特点。在本次竞赛中，我们各自发挥各自的优点，经过辛勤的努力，从而使我们能优秀的完成作品。同时我们也一起积极讨论问题，选择最终方案。通过这次竞赛，我们理论联系实际，将电子方面的知识充分应用到了设计中，充分发挥的PIC单片机的功能，夯实了基础，提高了理论联系实际的能力，更提高了电子设计方面的综合能力。此次大赛，对我们而言，不仅给我们提供了一次难得的检验自己的平台，而且充分锻炼了自己吃苦能力知识应用能力。在以后的时间里，我们会继续我们电子设计的爱好，设计出更好的作品。15附录附录1电路原理图附录2源程序INCLUDEINCLUDE_CONFIG0X3F3916VOIDDELAYUNSIGNEDINTCHARA,BSIGNEDCHARI,M0UNSIGNEDINTX0,BB75/X存放AD值,BB存高电平FLOATY1,Y2246,Y/Z为最低点的角度值/主程序MAINVOIDTRISA01/模拟口TRISB0RB00RB11/用到RB0正反转，RB1使能端低电平有效,电机驱动用TRISC20/RC2/CCP1为输出PR246/周期为1MSADCON10B10001110/右对齐，8TOSC，AN0模拟，其余数据ADCON00B01000001/选择通道0WHILE1/ADFORI1IY2RB10/打开使能端IFY1Y2302CCPR1LB