第四-1章单片机在大学生科技创新活动中应用

1、博士学位论文答辩单片机基础知识与科技创新单片机基础知识与科技创新2010年年 10月月 主讲人：王福忠主讲人：王福忠 教授教授河南理工大学河南理工大学 本章内容本章内容第四章第四章单片机在大学生科技单片机在大学生科技创新活动中的应用创新活动中的应用大赛典型竞赛题目大赛典型竞赛题目分析分析单片机基础知识与科技创新单片机基础知识与科技创新电源电路设计电源电路设计输入通道电路设计输入通道电路设计输出通道电路设计输出通道电路设计人机接口电路设计人机接口电路设计 4.1 20014.1 2001年年-2011-2011年全国大学生电子设计大赛题目年全国大学生电子设计大赛题目第四章第四章 单片机在大学生科

2、技创新活动中的应用单片机在大学生科技创新活动中的应用 4.1 20014.1 2001年年-2011-2011年全国大学生电子设计大赛题目年全国大学生电子设计大赛题目第四章第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用单片机在大学生科技创新活动中的应用 4.1 20014.1 2001年年-2011-2011年全国大学生电子设计大赛题目年全国大学生电子设计大赛题目第四章第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用单片机在大学生科技创新活动中的应用 4.2 4.2 大赛典型竞赛题目分析大赛典型竞赛题目分析第四章第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用单片机在大学生科技创新活动中的应用B 题：基于自由

3、摆的平板控制系统题：基于自由摆的平板控制系统 一、任务一、任务 设计并制作一个自由设计并制作一个自由摆上的平板控制系统，摆上的平板控制系统，其结构如图其结构如图1 1所示。所示。 摆杆的一端通过转轴摆杆的一端通过转轴固定在一支架上，另一固定在一支架上，另一端固定安装一台电机，端固定安装一台电机，平板固定在电机转轴上；平板固定在电机转轴上；当摆杆如图当摆杆如图2 2摆动时，摆动时，驱动电机可以控制平板驱动电机可以控制平板转动。转动。 4.2 4.2 大赛典型竞赛题目分析大赛典型竞赛题目分析第四章第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用单片机在大学生科技创新活动中的应用B 题：基于自由摆的平板控

4、制系统题：基于自由摆的平板控制系统 二、要求：二、要求：1 1基本要求：基本要求： （1 1）控制电机使平板可以随着摆杆的摆动而旋转（）控制电机使平板可以随着摆杆的摆动而旋转（35 35 周），摆杆摆周），摆杆摆一个周期，平板旋转一周（一个周期，平板旋转一周（360360），偏差绝对值不大于），偏差绝对值不大于4545。 （2 2）在平板上粘贴一张画有一组间距为）在平板上粘贴一张画有一组间距为1cm1cm平行线的打印纸。用手推动平行线的打印纸。用手推动摆杆至一个角度摆杆至一个角度（在在30304545间），调整平板角度，在平板中心稳定间），调整平板角度，在平板中心稳定放置一枚放置一枚1 1元硬

5、币（人民币）；启动后放开摆杆让其自由摆动。在摆杆摆元硬币（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，使硬币在动过程中，要求控制平板状态，使硬币在5 5个摆动周期中不从平板上滑落，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。并尽量少滑离平板的中心位置。 （3 3）用手推动摆杆至一个角度）用手推动摆杆至一个角度（在在45456060间），调整平板角度，间），调整平板角度，平板中心稳定叠放平板中心稳定叠放8 8枚枚1 1元硬币，见图元硬币，见图2 2；启动后放开摆杆让其自由摆动。；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

6、在摆杆摆动过程中，要求控制平板状态使硬币在摆杆的5 5 个摆动周期中不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。币数计算成绩。 4.2 4.2 大赛典型竞赛题目分析大赛典型竞赛题目分析第四章第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用单片机在大学生科技创新活动中的应用B 题：基于自由摆的平板控制系统题：基于自由摆的平板控制系统 二、要求：二、要求：2 2发挥部分: （1）如图3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

7、，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。根据光斑偏离中心线的距离计算成绩，超时则视为失败。 （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，根据光斑偏离中心线的距离计算成绩。 （3）其他。 4.2 4.2 大赛典型竞赛题目分析大赛典型竞赛题目分析第四章第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用单片机在大学生科技创新活动中的应

8、用B 题：基于自由摆的平板控制系统题：基于自由摆的平板控制系统 2 2发挥部分: 4.2 4.2 大赛典型竞赛题目分析大赛典型竞赛题目分析第四章第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用单片机在大学生科技创新活动中的应用B 题：基于自由摆的平板控制系统题：基于自由摆的平板控制系统 三三 说明（摘录）：说明（摘录）： 1、摆杆可以采用木质、金属、塑料等硬质材料；摆杆长度（固定转轴至电机轴的距离）为100 cm5cm；摆杆通过转轴固定在支架或横梁上，并能够灵活摆动。摆杆不得受重力以外的任何外力控制。 2、平板的状态只能受电机控制。平板的长宽尺寸为10cm6cm，可以采用较轻的硬质材料；不得有磁性；

9、表面必须为光滑的硬质平面；不得有凸起的边沿；倾斜一定角度时硬币须能滑落。平板承载重量不小于100g。 3、摆动周期的定义：摆杆被释放至下一次摆动到同侧最高点。 4.2 4.2 大赛典型竞赛题目分析大赛典型竞赛题目分析第四章第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用单片机在大学生科技创新活动中的应用B 题：基于自由摆的平板控制系统题：基于自由摆的平板控制系统 三三 说明（摘录）：说明（摘录）： 4、发挥部分，需要在平板上固定安装一激光笔。激光笔的照射方向垂直于电机转轴。激光笔的光斑直径不大于5mm。需在距摆杆150cm处设置一高度可以调整的目标靶子，靶子上粘贴靶纸（A4 打印纸），靶纸上画一组间

10、距为1cm 的水平平行线。测试现场提供靶子，也可自带。 5、允许手动操作启动工作，亦可自动启动工作。一旦摆杆开始自由摆动，不得再人为干预系统运行。 6、设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、主要测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序和完整的测试结果用附件给出。 4.2 4.2 大赛典型竞赛题目分析大赛典型竞赛题目分析第四章第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用单片机在大学生科技创新活动中的应用B 题：基于自由摆的平板控制系统题：基于自由摆的平板控制系统四、评分标准：四、评分标准： 4.2 4.2 大赛典型竞赛题目分析大赛典型竞赛题目分析第四章第四章 单片机在大学生

11、科技创新活动中的应用单片机在大学生科技创新活动中的应用B 题：基于自由摆的平板控制系统题：基于自由摆的平板控制系统 采用采用28BYJ4828BYJ48的的5V5V驱动驱动4 4相相5 5线制的步进电机制作了一个自由摆线制的步进电机制作了一个自由摆上的平板控制系统，用高精度数字输出精密倾角传感器上的平板控制系统，用高精度数字输出精密倾角传感器SCA100TSCA100T采集摆采集摆动过程中平板的角度数据，通过多次集取平均值的方法基于倾角转换动过程中平板的角度数据，通过多次集取平均值的方法基于倾角转换公式将所采样的数据转换成角度反馈给单片机，由公式将所采样的数据转换成角度反馈给单片机，由5151

12、单片机控制步进单片机控制步进电机转动相应的角度，从而达到平板上的物体能始终保持平衡。在数电机转动相应的角度，从而达到平板上的物体能始终保持平衡。在数据采集的过程中采用了非线性误差校正等数据处理方法。据采集的过程中采用了非线性误差校正等数据处理方法。系统主要由系统主要由摆架框架、数据采集部分、主控板、驱动系统、液晶显示五个功能模摆架框架、数据采集部分、主控板、驱动系统、液晶显示五个功能模块组成。本设计基本能完成自由摆在摆动过程中对平板的平衡控制，块组成。本设计基本能完成自由摆在摆动过程中对平板的平衡控制，平板能够在自由摆摆动的一个周期中旋转一周，在平板放置一枚至多平板能够在自由摆摆动的一个周期中

13、旋转一周，在平板放置一枚至多枚硬币时仍能够保持叠放状态并使硬币不从平板上滑落枚硬币时仍能够保持叠放状态并使硬币不从平板上滑落。 测控系统，平板控制，测控系统，平板控制，5151单片机，步进电机单片机，步进电机 4.2 4.2 大赛典型竞赛题目分析大赛典型竞赛题目分析第四章第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用单片机在大学生科技创新活动中的应用B 题：基于自由摆的平板控制系统题：基于自由摆的平板控制系统 本题要求设计并制作一个自由摆上的平板控制系统，在自由摆的摆动本题要求设计并制作一个自由摆上的平板控制系统，在自由摆的摆动过程中，使位于摆末端的平板始终保持水平状态。我们想利用电机控制过程中，

14、使位于摆末端的平板始终保持水平状态。我们想利用电机控制平板，角度传感器测量平板水平方向倾角来确定平板何时达到平衡，主平板，角度传感器测量平板水平方向倾角来确定平板何时达到平衡，主要由以下三大部分组要由以下三大部分组成摆架框架：包括摆架座、摆杆、轴承及弹性元成摆架框架：包括摆架座、摆杆、轴承及弹性元件等，起支撑作用，平板位于摆杆末端的电机轴上；检测系统：通过件等，起支撑作用，平板位于摆杆末端的电机轴上；检测系统：通过传感器检测出平板工作台的角度变化，指示出不平衡度的大小，并经过传感器检测出平板工作台的角度变化，指示出不平衡度的大小，并经过一系列的数据处理后送给控制器；控制驱动系统：控制器通过对传

15、感一系列的数据处理后送给控制器；控制驱动系统：控制器通过对传感器输出信号的分析发出控制信号，经功率放大后控制电机的转动，带动器输出信号的分析发出控制信号，经功率放大后控制电机的转动，带动平板尽快恢复平衡状态。上述各模块的方案论证如下。平板尽快恢复平衡状态。上述各模块的方案论证如下。 4.2 4.2 大赛典型竞赛题目分析大赛典型竞赛题目分析第四章第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用单片机在大学生科技创新活动中的应用B 题：基于自由摆的平板控制系统题：基于自由摆的平板控制系统 方案一：方案一：采用采用ATMELATMEL公司的公司的AT89C51AT89C51。5151单片机价格便宜，应用广

16、泛，简单片机价格便宜，应用广泛，简单，实用，资料多，市场需求大；另外单，实用，资料多，市场需求大；另外5151单片机能够实现软硬件调试，易单片机能够实现软硬件调试，易于测试。于测试。5151单片机的乘法和除法指令编程也带来了便利，易于实现平板的单片机的乘法和除法指令编程也带来了便利，易于实现平板的平衡控制。平衡控制。 方案二：方案二：采用采用TITI公司的公司的ARMCortex-M3ARMCortex-M3内核处理器芯片内核处理器芯片LM3S1439LM3S1439作为中央作为中央处理器，处理器本身带有处理器，处理器本身带有32KB32KB的的bit-bandedSRAMbit-banded

17、SRAM和和96KB96KB的的FlashFlash存储器，对存储器，对于一般的控制应用，不需外扩数据程序存储器，但是价格较高且对此于一般的控制应用，不需外扩数据程序存储器，但是价格较高且对此RAMRAM单片机的了解太少，短期内不能熟悉进行编程，给制作带来困难。单片机的了解太少，短期内不能熟悉进行编程，给制作带来困难。 根据本题的要求并结合实际我们最终选择了第一种方案根据本题的要求并结合实际我们最终选择了第一种方案。 4.2 4.2 大赛典型竞赛题目分析大赛典型竞赛题目分析第四章第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用单片机在大学生科技创新活动中的应用B 题：基于自由摆的平板控制系统题：基于

18、自由摆的平板控制系统 电机模块选择是整个方案设计的关键，按照设计要求，平板需在自电机模块选择是整个方案设计的关键，按照设计要求，平板需在自由摆摆动的情况下达到平衡状态，这需要对平板的精确控制，而且平板由摆摆动的情况下达到平衡状态，这需要对平板的精确控制，而且平板的平衡性能要好。因此普通直流电机不能满足要求。的平衡性能要好。因此普通直流电机不能满足要求。 方案一：方案一：采用直流减速电机控制小车的运动，直流减速电机力矩大，采用直流减速电机控制小车的运动，直流减速电机力矩大，转动速度快，但其制动能力差转动速度快，但其制动能力差, ,无法达到小车及时停车的要求。无法达到小车及时停车的要求。 方案二：

19、方案二：采用采用28BYJ48 5V 28BYJ48 5V 驱动的驱动的4 4相相5 5线制的步进电机。它是减速步线制的步进电机。它是减速步进电机，体积小，减速比为进电机，体积小，减速比为1 1：6464，步进角为，步进角为5.625/64 5.625/64 度。它的主要特度。它的主要特性有：步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。改变脉冲的顺序，性有：步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向可以方便的改变转动的方向, ,符合题目的控制需求。符合题目的控制需求。 经过反复的比较、论证，我们最终选用了方案二。该型号步进电机经过反复的比较、论证，我们最终

20、选用了方案二。该型号步进电机满足制作需要且加驱动器后与单片机接口简单，控制方便且。满足制作需要且加驱动器后与单片机接口简单，控制方便且。 4.2 4.2 大赛典型竞赛题目分析大赛典型竞赛题目分析第四章第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用单片机在大学生科技创新活动中的应用B 题：基于自由摆的平板控制系统题：基于自由摆的平板控制系统 角度检测模块也是系统的重要组成部分，我们需要利用角度传感器来测角度检测模块也是系统的重要组成部分，我们需要利用角度传感器来测量平衡板水平方向倾角，当倾角在某个范围之内的时候即可认为跷跷板达到量平衡板水平方向倾角，当倾角在某个范围之内的时候即可认为跷跷板达到平衡态

21、。由于跷跷板的倾角不能太大要保证硬币不滑落，角度变化范围较小，平衡态。由于跷跷板的倾角不能太大要保证硬币不滑落，角度变化范围较小，因此要求角度传感器精度高，频率快。目前市场上适合的传感器主要有以下因此要求角度传感器精度高，频率快。目前市场上适合的传感器主要有以下两种。两种。 方案一：方案一：采用深圳市华夏磁电子技术开发有限公司的采用深圳市华夏磁电子技术开发有限公司的AME-B001AME-B001角度传感器，角度传感器，0 0360360度测量范围，但是安装非常不方便，而且电压输出信号，采集不便。度测量范围，但是安装非常不方便，而且电压输出信号，采集不便。 方案二：方案二：采用芬兰生产的高精度

22、数字输出精密倾角传感器采用芬兰生产的高精度数字输出精密倾角传感器SCA100TSCA100T。它的。它的测量范围测量范围0.5g(0.5g(3030) )，1.0g(1.0g(9090) )且是双轴向倾角测量，体积小，且是双轴向倾角测量，体积小，便于安装，并拥有极好的抗过载与抗震能力。便于安装，并拥有极好的抗过载与抗震能力。 在满足设计要求的前提下，考虑到接口、安装方便等因素在满足设计要求的前提下，考虑到接口、安装方便等因素, ,选择了方案二。选择了方案二。 4.2 4.2 大赛典型竞赛题目分析大赛典型竞赛题目分析第四章第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用单片机在大学生科技创新活动中的应

23、用B 题：基于自由摆的平板控制系统题：基于自由摆的平板控制系统 方案一：方案一：铅酸电池供电，优点电流大，缺点重量太沉。铅酸电池供电，优点电流大，缺点重量太沉。使制作成本增加结构繁琐使制作成本增加结构繁琐。 方案二：方案二：使用使用USB 5VUSB 5V电源直接对电源直接对5151最小系统供电，结最小系统供电，结构简单，易于编程。构简单，易于编程。 经比较，我们选择方案二，用经比较，我们选择方案二，用5V5V电压转换后给控制器、电压转换后给控制器、传感器及液晶显示等模块使用。传感器及液晶显示等模块使用。 4.2 4.2 大赛典型竞赛题目分析大赛典型竞赛题目分析第四章第四章 单片机在大学生科技

24、创新活动中的应用单片机在大学生科技创新活动中的应用B 题：基于自由摆的平板控制系统题：基于自由摆的平板控制系统 根据上述方案论证，我们最终确定了以根据上述方案论证，我们最终确定了以AT80C51AT80C51单片单片机作为中央处理器，采用型号为机作为中央处理器，采用型号为28BYJ4828BYJ48的步进电机控制的步进电机控制平板的角度，用芬兰生产的高精度数字输出精密倾角传感平板的角度，用芬兰生产的高精度数字输出精密倾角传感器器SCA100TSCA100T来测量平板的水平倾角。来测量平板的水平倾角。 4.2 4.2 大赛典型竞赛题目分析大赛典型竞赛题目分析第四章第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用单片机在大学生科技创新活动中的应用B 题：基于自由摆的平板控制系统题：基于自由摆的平板控制系统 根据上面的分析论证，我们设计的系统的总体结构框根据上面的分析论证，我们设计的系统的总体结构框图如图图如图1 1所示。所示。 4.2 4.2 大赛典型竞赛题目分析大赛典型竞赛题目分析第四章第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用单片机在大学生科技创新活动中的应用B 题：基于自由摆的平板控制系统题：基于自由摆的平板控制系统 控制原理；木板力平衡数学模型；控制策略等内容。控制原理；木板力平衡数学模型；控制策略等内容。 （略）（略） 3.13.1硬件及单元电