全国大学生电子设计竞赛,2011年,基于自由摆的平板控制系统 省级一等奖

1、2011年全国大学生电子设计竞赛基于自由摆的平板控制系统（B题）【本科组】2011年9月3日25基于自由摆的平板控制系统摘要:本系统采用了STC公司最新的增强型51单片机，集成8路10位高精度数模转换模块，使用了数字控制系统，模拟传感系统，以及步进电机。基本实现了数字化全自动测控，操作简便，整体系统造价低廉。系统主要由摆架及其支撑框架，数据采集部分、微控制器最小系统、驱动模块组成。本文详细的介绍了控制系统的软件组成、硬件组成及其工作原理。硬件部分详细介绍了单片机最小系统，角度传感器电路、滤波电路、电机驱动电路的设计构想。软件部分利用了C语言，模块化的编程思想。可移植性强的特点，使程序结构分明，

2、执行效率高。期间，对整个系统进行了完备的测试，各方面表现均达预期效果。关键词:51单片机 模拟角度传感器 步进电机Abstract: this system USES a STC companys latest enhanced 51 SCM, integration and road 10 high precision analog-to-digital conversion module, the use of the digital control system, simulation sensor system, and the motor. The digital automatic

3、 measurement and control to realize basic, simple operation, low cost of the overall system.System mainly by the pendulum frame and its support framework, data acquisition part, micro controller minimum system, driver module. This paper introduces the control system software components, hardware com

4、position and working principle.Hardware part introduces microcontroller smallest system, Angle sensor circuit and filter circuit, motor drive circuit design conception. Using the software as part C language, modular programming ideas. Portability strong characteristic, make clear, the structure of t

5、he program execution efficiency. Period, to the whole system of a complete test, the performance of all the expected effect.Keywords: 51 single-chip microcomputer simulation Angle sensor stepping motor 目录第2章 总体方案设计42.1 方案比较42.2 方案论证52.3 方案选择5第3章 单元模块设计53.1.1 摆架系统的结构53.1.2 数据采集部分73.1.3 控制部分73.1.4 步进电

6、机驱动系统73.1.5 输入输出模块73.1.5.1液晶显示接口73.1.5.2键盘模块83.1.6 电源模块83.2电路参数计算及元器件的选择83.2.1 自由摆的原理与组成83.2.2 传感器的选择83.2.3 步进电机的选择93.2.4 数据处理芯片的选择93.2.4.1AD转换模块93.2.5 人机交互模块的选择103.3 各单元模块的连接10第4章 系统调试114.1 调试内容114.2 调试方法114.2.1 非线性误差修正124.2.2 标度变换124.2.3 步进电机控制程序设计224.2.4 抗干扰设计234.2.5 硬件抗干扰234.2.5.1抑制干扰源234.2.5.2切

7、断干扰的耦合通道244.2.5.3印刷电路板抗干扰244.2.6 软件抗干扰24第5章 系统功能和指标参数255.1 系统能实现的功能25第6章 设计总结256.1 设计的小结256.2 设计收获体会256.3 设计的改进及希望25第1章 前言 现代传感器技术的发展趋势随着科学技术的发展，传感器技术发展的趋势将是开发新材料与传感器智能化发展相结合。新材料开发，随着科技的发展，新材料在传感器中的应用越来越广。传感器材料是传感器技术的重要基础, 是传感器技术升级的重要支撑。随着材料科学的进步,传感器技术日臻成熟,其种类越来越多,除了早期使用的半导体材料、陶瓷材料以外,光导纤维以及超导材料的开发,为

8、传感器的发展提供了物质基础。在近些年来，智能化的发展渐渐成为了一种趋势。80 年代发展起来的智能化传感器是微电子技术、微型电子计算机技术与检测技术相结合的产物，具有测量、存贮、通信、控制等特点。智能化传感器一般主要由主传感器、辅助传感器及微机硬件系统三大部分构成。也就是说,智能化传感器是一种带有微处理器的传感器,它兼有检测判断和信息处理功能。20 多年来,智能化传感器有了很大的发展。近年来,智能化传感器开始同人工智能相结合,创造出各种基于模糊推理、人工神经网络、专家系统等人工智能技术的高度智能传感器,称为软传感器技术。它已经在家用电器方面得到利用,相信未来将会更加成熟。智能化传感器是传感器技术

9、未来发展的主要方向。在今后的发展中,智能化传感器无疑将会进一步扩展到化学、电磁、光学和核物理等研究领域。本文的设计也主要是基于角度传感器。第2章 总体方案设计 2.1 方案比较 按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“”和”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。 模拟传感器的应用非常广泛，不论是在工业、农业、国防建设，还是在日常生活、教育事业以及科学研究等领域，处处可见模拟传感器的身影。数字传感器的特点1、先进的A/D转换技术和智能滤波算法，在满量程的情况下仍可保证输出码的稳定。2、可行的数据存储技术，保证模块参数不会丢失。3、良好的

10、电磁兼容性能。4、传感器的性能参数采用数字化误差补偿技术和高度集成化电子元件，用软件实现传感器的线性、零点、额定输出温漂、蠕变等性能参数的综合补偿，消除了人为因素对补偿的影响，大大提高了传感器综合精度和可靠性。5、传感器的输出一致性误差可以达到0.02%以内甚至更高，传感器的特性参数可完全相同，因而具有良好的互换性。6、采用A/D转换电路、数字化信号传输和数字滤波技术，传感器的抗干扰能力增加，信号传输距离远，提高了传感器的稳定性。7、数字传感器能自动采集数据并可预处理、存储和记忆，具有唯一标记，便于故障诊断。8、传感器采用标准的数字通讯接口，可直接连入计算机，也可与标准工业控制总线连接，方便灵

11、活。2.2 方案论证方案一:利用模拟角度传感器来测量木杆转过的角度，从而通过他转过的角度来确定位置，此方案简单，灵敏度比较高。方案二:利用数字型传感器把被测参量转换成数字量输出的传感器。它是测量技术、微电子技术和计算技术的综合产物，是传感器技术的发展方向之一。数字式传感器一般是指那些适于直接地把输入量转换成数字量输出的传感器，包括光栅式传感器、磁栅式传感器、码盘、谐振式传感器、转速传感器、感应同步器等。广义说，所有模拟式传感器的输出都可经过数字化（见模数转换器）而得到数字量输出，这种传感器可称为数字系统或广义数字式传感器。数字式传感器的优点是测量精度高、分辨率高、输出信号抗干扰能力强和可直接输

12、入计算机处理等。2.3 方案选择 将机械转动或角度变化量转化为电信号，测量转动角度，输出模拟电压信号。特点：无触点、无噪声、无磨损、低转矩、灵敏度高、可靠性高、360转动、高频响应特性好。适用范围：产品广泛应用于工业自动化的测量和监控系统中。尤其适于机械变化频繁、环境恶劣、使用寿命长、可靠性高的场合。如交通、航空、医疗、电子、机械、纺织、军工、船舶、冶金等诸行业。倾角传感器 采用高性能磁敏感元件，利用重力摆结构，可无触点的测量倾斜角度。品种多、角度范围全 特 点：体积小、灵敏度高、寿命长、耐环境污染、抗振动等 适用范围： 特别适用于运动频繁的场合，耐水、油等恶劣环境，用于水平姿态角的测控 ,平

13、面定位等系统。综上所述，我们选择模拟类传感器。第3章 单元模块设计 3.1 各单元模块功能介绍及电路设计3.1.1 摆架系统的结构 摆架系统包括摆架座、摆杆、轴承及弹性元件等，起支撑平板工作台的作用。在其结构设计中，要选择适当的支撑方式，确定框架的结构形式。选择的材料要保证摆架有足够的刚度，同时，为保证控制方便，有较高的灵敏度，要求摆杆重量适当。摆架结构如图31(a)所示，其中平板长20cm，宽10cm，转轴中心到电机轴中心的长度为100cm。 平板工作台(图) 摆杆的一端通过转轴固定在支架上，另一端固定安装一台步进电机，平板固定在电机轴上，平板上安装有检测平板水平状态的倾角传感器，实时监测平

14、板偏离水平位置的角度并发送至控制器，控制器发出相应的脉冲信号驱动电机，可以带动平板转动一定的角度，当摆杆摆动时，控制电机使平板保持在水平状态。 处理器是实现系统功能的核心器件，它的性能好坏决定着整个测控系统的准确度。本设计采用STC12C5A60S2作为中央处理器，配以适当的外围接口电路完成各项功能。 3.1.2 数据采集部分 信号采集部分实现平板角度的检测，它由传感器电路、信号调理电路、AD转换电路三部分组成. 该部分通过角度传感器检测平板的角度，生成小信号，经过信号调理后通过A/D装换，将数字信号反应到控制器中。采样电路结构框(图)3.1.3 控制部分 控制部分包括单片机及其最小系统，其主

15、要作用是把数据采集部分传入的信号经过处理，判断需要让电机转动多少度来让木板保持平衡，然后把这种信号传输给步进电机。 3.1.4 步进电机驱动系统 混合式步进电机要求电源供给正、负脉冲一般其驱动电路要做成双极性驱动。步进电机的运行性能很大程度上取决于所使用的驱动控制器的类型和参数。 步进电机驱动控制器的构成 当接收到信号后，通过脉冲发生器，脉冲分配器，功率放大器步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的控制电机。，3.1.5 输入输出模块 3.1.5.1液晶显示接口 人机界面是嵌入式系统的一个重要组成部分。为了直观、简捷的观察记录系统运行过程中的各种参数，本系统采用TFT触摸液晶屏彩屏模块。具

16、有8位数据传输模式接口时,完全兼容代替12864液晶接口(ST7920控制器)，可以直接用在任意带12864液晶接口的开发板上，更具性价比！也可根据需要改成16位模式。显示效果极其细腻，转接底板带SD卡座,可存放大容量的彩色图片;3.3V电源芯片,可直接输入5V电源;板带触摸控制芯片,直接实现触摸控制功能,手写轻松实现;可直接替换掉12864模块单调的显示效果,直接升级到真彩画面。3.1.5.2键盘模块 使用独立键盘,适用于按键较少，操作速度较高的场合。3.1.6 电源模块 采用5V直流开关电源 3.2电路参数计算及元器件的选择3.2.1 自由摆的原理与组成 自由摆控制系统是由数据采集模块、控

17、制驱动模块和自由摆本体等几大部分构成的一个闭环系统。通过倾角传感器的反馈获得自由摆末端被控对象的位移，控制驱动模块实时读取传感器反馈的数据，确定控制决策(电机应该向哪个方向转动、转动速度、加速度等)，同时控制模块通过处理器内部的控制算法实现该控制决策，产生相应的控制量，使电机转动，从而带动被控对象运动，达到目标运动状态。数据采集部分由传感器电路、信号调理电路、模数转换电路等共同组成，完成模拟信号到数字信号的转换。3.2.2 传感器的选择 传感器作为检测系统的信息反馈通道，其性能好坏对于整个系统的稳定性具有重要意义。本系统中主要是对自由摆末端平板水平方向倾斜角度的检测，所以使用单轴倾角传感器。选

18、用芬兰VTI公司生产的高精度低量程加速度传感器SCA610。SCA610单轴加速度传感器的性能如下：测量范围： 0.5g ( 30), 1g ( 90), 1.5g, 1.7g,2g,3g 8脚DIP塑封过阻尼敏感元件控制频响持续进行线路纠错工作 无铅元件，兼容无铅流焊技术提高了纠错功能数字触发静电自检 (不能用于倾角仪) 存储奇偶校验结果单极 5V供电，比例电压输入在 4.75 5.25V之间兼容 SPI数字输出 sca610加速度传感器的优势和应用优势 特别可靠，精确，良好的稳定性 优良的负载和抗冲击能力 无需额外组件 3.2.3 步进电机的选择 执行元件选择步进电机，使用步进电机的原因包

19、括：操作简单，由于可接受数字脉冲输入而变得易于与其他设备接口，优秀的起停和反转响应，运行过程中精度没有累计误差等。本次设计采用的步进电机是四相五线步进电机。3.2.4 数据处理芯片的选择数据处理芯片是运动控制模块的核心。STC12C5A60S2系列单片机是单时钟的单片机是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM, 8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。3.2.4.1AD转换模块 AD转换器是采集系统的核心，在整个系统中占有重要的地位。由于本次设计主要对传感器发出的信号进行检测，最终目的是使平板处于水平状态，稳定误差10，10位的

20、AD采样即可保证其精度要求，所以使用STC12自带的AD进行采样。STC12系列芯片内部集成有一个10位的ADC模块，支持8个输入通道， STC系列的ADC模块提供以下特性： STC12C5A60AD/S2系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口，有8路10位高速转换器，速度可达到250KHz。8路电压输入性A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。图为ADC输入通道的保护电路。因为ADC允许的输入电流很小，起限流作用。ADC输入通道低通滤波与钳位保 3.2.5 人机交互模块的选择人机交换模块由LCD、发光二极管以及键盘电路组成。LCD采用1602液晶，键盘电路，方便功能

21、扩展。3.3 各单元模块的连接 整个系统的工作流程：自由摆摆动过程中，末端平板的角度变化经传感器检测后转变为电压信号，再由信号调理电路进行滤波、衰减，STC内部集成的模拟数字转换器处理，如有需要还需将结果通过液晶显示。计算出角度变化量后，发出一定数目的脉冲，经驱动放大后控制步进电机的转动，步进电机带动平板转动快速恢复平衡位置。 各单元模块的联接图 本系统由倾角传感器采集倾角信号，将其转化为模拟信号，通过信号调理和模数转换转化为数字信号，控制器接收到该信号后，经过数据通讯和人机交换发出可以实现要求的特定的数字信号，传给电机驱动电路，驱动电机转动特定的角度。第4章 系统调试4.1 调试内容 由于步

22、进电机的转速和控制器发射脉冲的延时有关，延时越小步进电机转速越大，但延时太小的话，会使步进电机只震动不转动，所以需要不断地改变延时，使电机达到最大的速度。 设定木板水平时倾角为零，此时，倾角传感器的输出电压为基准电压。当木板随摆转动时，木板的倾角发生变化，传感根据器输出电压的增大或减小，确定摆的正传或反转，从而驱动电机正传或反转。4.2 调试方法 本实验所需要的设备包括计算机，STC51单片机最小系统，步进电机及其驱动板和摆架系统。 微机主要是用来编写软件语言程序的，通过仿真和综合，最后通过微机的USB接将程序下载到删主控板的芯片中。整个论文中的程序编写及调试工作都是在计算机中进行的。删主控板

23、以及步进电机驱动板是自己选择合理的芯片后画图制作的，主要作用是处理传感器信号并产生可以使步进电机工作的可调节脉冲信号。 系统调试包括硬件调试和软件调试两大部分。硬件调试主要是针对印制电路板，印制电路板制作完毕后，不要急于焊接元器件，首先对照原理图仔细检查印制电路板的连线，确保无误后方可焊接。同时，尽可能的以各单元电路为单位，一个个焊接调试，以便在调试过程中遇到困难时缩小故障范围，确保没有短路和虚焊。通电前，确保电源输出正常。 调试过程是指把程序下载到芯片，进行数据处理，再把信号输出控制电机的整个过程，该过程主要是实际操作过程，也是对前面大量工作的验证。下面具体说明调试的过程。 4.2.1 非线

24、性误差修正 对一个数据采集系统而言，它由多个不同功能的软硬件单元组合而成。如果仅有硬件部分，必然包含许多不可知因素，如元件的实际参数、温度特性、抗干扰性能等，造成测量结果不精确。尤其对于较复杂的系统，要想找出某一误差的根源是极其困难的，所以需要相应的软件进行修正。倾角传感器是本次数据采集系统的主要测量工具，因此，对倾角传感器的标定对于测量的准确性具有重要的意义。在自动标定系统中，常用的自动采样算法有定时采样与手动触发采样。手动触发方式，虽然不易发生采样错误，但每次采样都要求人为触发，使用不方便。定时采样是按固定的时间间隔进行采样，采样时有可能会出现误差，系统无法识别，但是可以采用一定的误差处理

25、方法将其剔除，所以本文采用定时采样法进行数据采样。 4.2.2 标度变换 在进行位置计算从而控制步进电机转动幅度时，用到的是角度，而采集到的数据是 电压，所以要将这个电压转换成对应的倾角，也就是要进行标度变换。从测量电压与倾角的关系曲线可以看出，两者之间不是纯粹的线性关系。这就需要采取某种数值计算方法，在允许的误差范围内，通过建立函数关系，将两者之间转变为线性关系，利于处理器对其进行实际的测算，即进行软件矫正。/*函数名：毫秒级CPU延时函数调 用：DELAY_MS (?);参 数：165535（参数不可为0）返回值：无结 果：占用CPU方式延时与参数数值相同的毫秒时间备 注：应用于1T单片机

26、时i600，应用于12T单片机时i125/*/void delay_ms (unsigned int a)unsigned int i;while( -a != 0) for(i = 0; i 600; i+);/*/函数名：void UART0_Init (void)/功能描述：初始化串口0，初努化为9600，8，N。/*void UART0_Init(void)SCON |= 0x50; /0101,0000 8 位可变波特率，无奇偶校验位BRT = RELOAD_COUNT;/ BRTR = 1, S1BRS = 1, EXTRAM = 1 ENABLE EXTRAMAUXR |= 0x

27、11; / T0x12,T1x12,UART_M0x6,BRTR,S2SMOD,BRTx12,EXTRAM,S1BRS独立波特率发生器12TES = 1; / 允许串口中断/*/函数名：void SendCh(unsigned char c)/功能描述：串口发送一个字节/*void SendCh(unsigned char i)ES = 0; / 关串口中断TI = 0; / 清零串口发送完成中断请求标志SBUF = i;while(TI =0); / 等待发送完成TI = 0; / 清零串口发送完成中断请求标志ES = 1; / 允许串口中断/*/函数名：void SendBy(unsign

28、ed char *str,unsigned char i)/功能描述：串口发送一个字节/*void SendBy(unsigned char *str,unsigned char i)unsigned char j=0; do SendCh(*(str + j); j+; while (j ;if(Ucount=(Com_Num+2)Ucount=0; elseTI = 0;/*/函数名：void UART_one_Interrupt_Receive(void)/功能描述：串口1接收中断/*unsigned char UART_one_Recive(unsigned char *Buff)un

29、signed char i=0;if(Uflag)Uflag=0;for(i=0;iCom_Num;i+)Buffi=UartRei+2;return(1);else return(0);/*/函数名：void Timer0_Init (void)/功能描述：初始化定时器1/*void Timer0_Init (void)/ CKCON = 0x00;/ 使用系统时钟不分频TMOD |= 0x11 ; IE |= 0x02 ; / 开放T0中断TH0 = TH0S; /100HzTL0 = TL0S;TR0 = 1;/*/函数名：void Timer0_ISR (void) interrupt

30、 1 /功能描述：定时器0中断函数。/*void Timer0_ISR (void) interrupt 1 /10msTF0 = 0; TL0 += TL0S;TH0 = TH0S; /重赋初值TimeOutCounts0+;TimeOutCounts1+;TimeOutCounts2+;/*/函数名：unsigned int ReadTimer(unsigned char n)/功能描述：软件计时器/*unsigned int ReadTimer(unsigned char n)unsigned int temp;ET0 = 0; temp = TimeOutCountsn;/读出时间ET

31、0 = 1; return temp;/*/函数名：void ResetTimer(unsigned char n)/功能描述：复位计时器/*void ResetTimer(unsigned char n)ET0 = 0; TimeOutCountsn & 0x03 = 0; ET0 = 1; /*/函数名：void init_ADC(void)/功能描述：ADC初始化/*void init_ADC(void)ADC_CONTR = 0xe0; /ADC_POWER SPEED1 SPEED0 ADC_FLAG ADC_START CHS2 CHS1 CHS0 P1ASF = 0X01; /

32、选中P1.0为模拟口EADC = 1;void ADC_Start(unsigned char Port)unsigned char temp;temp = ADC_CONTR;temp = (temp&0xf0)|Port)|0x08);ADC_CONTR = temp;temp = 1;/四个空周期，保证数据写入ADC_CONTRtemp = 1;temp = 1;temp = 1;void ADC_Interrupt(void) interrupt 5 unsigned char temp; temp = ADC_CONTR; ADC_CONTR = (temp&0xef);/清 ADC

33、_FLAG ADC_Flag = 1;bit ADC_Data(unsigned char *Buff)unsigned char temp;if(ADC_Flag)ADC_Flag = 0;Buff0=ADC_RES;temp = ADC_RESL&0x03;/保留最低两位，其他置零Buff1 = temp;return(1);else return(0);4.2.3 步进电机控制程序设计 对于步进电机的速度控制系统，从起点到终点的运行速度都有一定的要求。如果要求运行的速度小于步进电机的极限起动频率，则步进电机可以按要求的速度直接起动，运行至终点后可立即停发脉冲串而令其停止。利用两个发光二极

34、管来表示其正反转。电机方向控制分3种方式：正转，反转，停止。void motor(unsigned char mode,unsigned char speed) unsigned char i;for (i=0; i8; i+) /一个周期转30度if (mode=1) P2 = FFZi;else if (mode=0) P2 = FFWi;else if (mode=5)break;delay_ms(speed); /调节转速 4.2.4 抗干扰设计 在理想情况下，一个系统的性能仅由该系统的结构及应用元器件的性能指标来决定，但是测控系统在使用过程中，由于内部或外部干扰的影响，在被测信号电压

35、或电流上会叠加干扰信号，通常把这种干扰信号称为噪声。 在检测系统中，噪声对被测信号存在着严重影响，当被测信号微弱时，就会被干扰信号“淹没掉，导致数据采集误差；在控制系统中，噪声干扰可能会导致误操作。因此，在分析和设计测控系统时，必须考虑到可能存在的干扰对系统的影响，从硬件和软件上采取相应的措施消除和抑制系统中的噪声，增强系统的抗干扰能力。 4.2.5 硬件抗干扰 4.2.5.1抑制干扰源 干扰源是指产生干扰的元件、设备或信号，交流电源的干扰是电路系统的干扰源之一。电源干扰是指电源过压、欠压、浪涌以及产生的尖峰等电压噪声，通过电源内阻耦合到电路中。本次设计使用了交流稳压器，保证电源电压的稳定性，

36、同时使用低通滤波滤掉高次谐波，改善电源波形。电路板上的每个IC的电源与地端都并接一个01心的高频去耦电容，以减少IC对电源的影响。去耦电容有两个作用：一方面作为本集成电路的蓄能电容，提供和吸收集成电路开关瞬间的充放电能；另一方面旁路滤掉该器件的高频噪声。 4.2.5.2切断干扰的耦合通道 信号通道，无论是传输导线还是模拟或数字输入输出通道，都是干扰窜入的通道。本次设计中，处理器发出的脉冲信号与电机驱动电路之间采用了光电耦合器进行隔离，从而有效地抑制尖峰脉冲及其它噪声干扰。传感器的输入端也采用了运算放大器跟随输出，并设置了滤波电路，抑制输入端的干扰。核心处理器系统与外界完全隔离开来，极大地提高了控制器的抗干扰能力，增加了系统的可靠性。 4.2.5.3印刷电路板抗干扰 印刷电路板是测控系统中器件、信号线、电源线的高度集合体，印刷电路板设计的好坏，对抗干扰能力影响很大。所以印刷电路板的