基于MC9S12XS128单摆平衡控制系统设计（已处理）

基于MC9S12XS128单摆平衡控制系统设计基于单摆平衡控制系统设计摘要:本设计使用飞思卡尔最小系统MC9S12XS128为核心。采用精密线性角度传感器对每一时刻的单摆的摆角进行实时监测,然后将获取的信息反馈给最小系统MC9S12XS128。MC9S12XS128将读取到的信息进行分析处理,发出相应的指令对步进电机进行相应的控制。为了提高步进电机的角度细分精确度,所以采用步进电机细分驱动芯片TB6560AHQ,对最小系统输出的信号细分并且对其电流衰减,使得步进电机每进一步转过的角度细化到0.1°。经过测试平台的调节震动大大降低。关键词:MC9S12XS128单片机;角度传感器;步进电机;信号细分器ABSTRACTThisdesignusingminimumsystemasthecoreMC9S12XS128freescale.TheAnglesensorprecisionlineartoeverymomentofthependulumswingingAngleforreal-timemonitoring,andthenwillgetinformationfeedbacktotheminimumMC9S12XS128system.MC9S12XS128willreadtoanalyzingtheinformationprocessing,sendsoutthecorrespondinginstructionforstepmotorforthecorrespondingcontrol.BecausetheoriginalthestepmotorsteppingAngleisbigger,sothesteppingmotorsubdivisiondriverTB6560AHQchip,theminimumsystemoutputsignalandthecurrentsubdivisionattenuation,andmakesthesteppingmotorfurtherrefinementofeveryturnAngleto0.1°.Throughthedesign,theadjustmentofthevibrationplatformisreducedgreatly.目录第1章 绪论 51.1系统框架设计总方案 51.2系统组成模块方案 61.2.1电机模块 61.2.2控制器模块 61.2.3电机驱动方案 71.2.4电源模块 71.2.5角度传感器模块 7第2章 系统硬件单元的电路设计 92.1控制器单元电路设计 92.2电源单元电路设计 102.3电机驱动电路设计 112.4角度传感器模块 14第3章 理论分析与计算 173.1建立模型与控制方法 173.2算法分析 173.3角度变化产生的误差: 183.4测试结果与分析 18第4章 系统软件设计 214.1程序功能描述与设计思路 214.1.1、程序功能描述 214.2主程序流程图 21第5章 软件开发工具、制作调试过程 225.1软件开发工具 225.2PCB板制作 225.3元器件焊接 235.4电路的调试 235.5硬件结构组装 235.6软件系统编写调试 23前言一、综述本课题国内外研究动态,说明选题的依据和意义1.国内外研究动态自动平衡控制系统,主要特点是系统在垂直方向的角度分析了水平位移或为控制对象,使其控制在一定的范围内。在实际中所见到的重心在未来控制系统、保护是一种自平衡控制系统。本文提出的平衡控制系统有以下主要特点:与传统系统的平衡、负载运行状态和变化;负荷本身具有生理调节功能;系统不但保持静力平衡,保持动态平衡运动。这些特性最终决定了复杂的控制系统,系统的稳定性来解决考虑各种控制理论和控制方法,特别是应用先进的控制理论,自动平衡的研究成果是将为复杂的非线性和不确定性系统的稳定性控制提供一个技术支持,同时给于其它的研究有重要的参考作用,如两足行走机器人和火箭垂直度等自平衡控制系统。自动平衡的主要研究方向包括:系统力学分析和建模、控制理论和应用、控制技术和实施。可以从自动平衡小车运动的情况进行分析,在建立空间坐标系统,理论应用平衡状态,最终为系统模型的控制理论和控制方法有了很好的基础。状态反馈控制器是在平衡点附近对系统参数和模型的分析并计算证明是可控的,并运用线性控制理论和系统仿真得到的一组状态反馈数据的基础上设计的。应用参数模糊整定PID控制器解决自动平衡系统存在不确定性和非线性问题,通过对参数的自整定,当系统的运动状态变化时能自动跟踪改变,使得控制方法具有智能性,实验结果证明其有效性和合理性。与传统的以误差和误差变化率为输入的二维模糊控制器相比采用双回路模糊控制器,在实验结果证明下对系统大范围的控制跟更能反映自动平衡系统的控制特点。设计一个高效合理的电路对于控制系统来说显得尤为重要.在自平衡小车的硬件中,设计了部分独特的控制电路,为系统稳定、可靠地运行打下了一个良好的基础。对于所研究的控制方法,以系统输出误差目标函数为依据,计算和调整动态加权系数,作用于控制器的输出,最大限度地发挥它们的控制特点,最后完成对自平衡系统的有效和稳定的控制。还分别用C、VB和MATLAB语言编写了三种软件,这些软件的良好运行为完成对自平衡小车的控制提供了必不可少的分析和研究手段。对于一个控制系统来说,稳定性是其重要特性,也是系统能够正常工作的首要条件。粗略地说,稳定性是指,由于扰动的作用使系统的工作状态发生变化,若经过一定的时间后能恢复到原来的平衡状态或其附近的容许邻域内,则称系统是稳定的;若随着时间的推移偏离原来的平衡状态愈来愈厉害,则称系统是不稳定的。不稳定的系统是没有什么工程价值的。工业自动化控制技术是20世纪现代制造业领域的最重要的一个技术,重点解决了生产效率和一致性问题。尽管自动化系统本身并不直接创造效益,但它对企业生产过程具有显著的改善。工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术,对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策,达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术,主要包括工业自动化系统、软件和硬件三大部分。单片机方面:中国使用单片机的历史只有短短的30年,在初始的短短五年时间里发展极为迅速。单片机是靠程序的,并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能,尤其特别的独特的一些功能,这是另一些设备需要费大量的时间去做的,有些是再怎么努力也很难做。一个不太复杂的功能如果用美国50年代期间开发的74系列,或60年代的CD4000系列这些纯硬件来解决的话,电路就会是一个很大的PCB板。但如果是用美国在70年代成功进入市场系列单片机,结果将是一个很大的区别。只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能,高效率,以及高可靠性。之所以现在占据软件主导的还是最低级的汇编语言,是因为单片机对于成本的要求很严格,单片机不想硬盘那样有很大的存储空间,也没有家庭电脑那样的CPU,单片机只是二进制码以上的最低级语言。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮,也会达到几十K的尺寸。二十世纪跨越了三个“电”的时代,即电气时代、电子时代和电脑时代。有一类电脑是由显示器、主机、键盘、鼠标等器件等组成,这就是我们常指的个人计算机。还有一种我们都不是很懂的计算机,称为微控制器,就是把智能语言读写在机械的单片机上。通俗的讲,它的系统是一个集成电路,即可进行简单运算和控制,而且由于体积小可以都藏在被控机械里面。它就像人类的大脑,如果大脑出了毛病则系统就瘫痪了。各种产品一旦用上了单片机,就能起到使产品升级换代的功效,常在产品名称前冠以形容词??“智能型”。现在,这种单片机的使用领域已十分广泛,如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等等。如智能型热水器,智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品,不是电路太复杂,就是功能太简单且极易被仿制。究其原因,可能就出在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。2.选题的依据和意义(1)本课题的设计,可以训练我综合运用所学知识解决实际问题的的能力,可以提高我科研和工程实践技能水平。同时还可以提高我的运算、识图与制图、程序编写、实验与调试、计算机信息资料检索、文字表达和自我组织等能力。(2)本课题的设计,可以培养我的独立思考和独立工作的能力,同时进一步巩固和扩展所学的专业知识面,使我在今后的工作中能够较熟练运用科学的方法,消化并运用新的科研成果和新技术。(3)本课题的设计成品有较好的性能,可以在许多领域广泛使用。经过本课题的设计制作发现它在实际运用中的缺点和不足,在某种意义上说能促进这些领域的飞速发展。绪论1.1系统框架设计总方案本设计要求制作附着在自由摆上的平板控制系统,能够实现摆杆绕着转轴旋转时(小于等于60°)该平台能够保持稳定,而且还要使平台上面的硬币尽量不滑落。根据题意,确定了系统组成的基本框图如图1-1所示图1-1系统组成基本框图本系统是由控制器模块、电机模块、角度检测模块、显示模块、电源模块等组成。如图1-2是一个单摆示意图。假设外界附加一扰动使该系统单摆由原平衡点“a”偏离到点“b”。当外力去掉后,摆在重力作用下,由点“b”回到点“a”,并由于惯性作用,继续向前摆动,直到到达点“c”。随后,在阻尼作用下,摆围绕“a”点作衰减振荡,直到所有能量耗尽,摆最终停留在原平衡点“a”。就平衡点“a”而言,在干扰作用下,摆发生了偏离,但扰动消失后,经过一定的时间,摆能恢复到原来的平衡点。这样的平衡点“a”称为稳定的平衡点。如果让摆处于另一平衡点“d”,如图1-2(b)所示。显然在扰动作用下,摆会离开平衡点“d”,这时,即使扰动消失,无论经过多长时间,摆也不会回到原平衡点“d”。这种平衡点称为不稳定平衡点。单摆的这种稳定概念(即无论扰动产生的初始偏差多大,只要扰动消失,系统最终总能回到原平衡点),可以推广至线性系统。而对于用非线性微分方程描述的非线性系统,当扰动产生的初始偏差较小时,扰动消失后,系统可能能回到某一稳定的平衡点;但当扰动造成的初始偏差超过一定范围,即使扰动消失,无论经过多长时间,系统也未必能回到原来稳定的平衡点上。也就是说,线性系统的小范围稳定和大范围稳定是等价的;而非线性系统则不然。小范围稳定的非线性系统不一定大范围稳定。1.2系统组成模块方案1.2.1电机模块电机模块的选择是整个系统的核心所在,按照设计的要求,电机需要对平板处在不同位置时进行相应角度的转动,这需要很高的精确度,并且平板需要很高的制动性。方案一:采用普通直流电机。直流电机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调整范围广;对驱动芯片要求低,驱动简单而且工作稳定,但是直流电机的驱动电压与转速的关系受其负载影响很大,直流电机容易产生噪声,干扰电位器的电压采样,制精度上逊于步进电机。该设计不采用该方案。方案二:采用步进电机。步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力。如果负载不超过步进电机所能提供的动态转矩值,就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著特点是转换精度高。正转反转控制灵活。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。同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。我们根据题目的要求选用了两相混合式步进电机,两相步进角一般为1.8°,根据设计的要求,我们将信号细分和电流衰减,使其步进角达到了0.1°,能够更好的运用在此系统中。1.2.2控制器模块方案一:采用CPLD(如EPM7128LC84-15)作为核心运算控制器件。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点,可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。而且开发成本比单片机高。此外,该方案具有较大的局限性,如检测部分就要占用可编程逻辑器件的大部分资源,造成资源的浪费,而这一些对于相对较低档次的单片机来说都是很容易就能实现的。为了节约资源,综合性价比,该设计不采用该方案。方案二:系统采用TI公司所生产的MSO430F5438单片机为主控制芯片,有比较丰富的资源,多个8位并行口其中有两个中断功能,内部集成12位的ADC,强大的定时器,精密的比较器,大量的RAM和ROM,存储容量大的程序。MSP430F5438单片机的最小系统板可以满足大部分的系统要求,减小系统设计难度,提高系统测量精度,但我对此单片机不是很了解,所以不用此方案。方案三:采用ATMEL公司的AT89C51。51系列单片机软件编程自由度大,可实现各种控制算法和逻辑控制,技术方面也相对成熟。价格便宜,应用广泛,但是89C51需外接模数转换器来满足数据采样的要求,硬件接口复杂,高速A/D与低速单片机之间速度的不匹配,给编程带来一定的难题,也浪费CPU资源。另外51单片机需要仿真器来实现软硬件调试,较为烦琐。最重要的是其运算速度比较慢,可能无法适应该设计,所以该设计不采用该方案。方案四:采用MC9S12XS128微控制器作为控制模块。MC9S12XS128系列产品满足了对设计灵活性和平台兼容性的需求,并在一系列电子平台上实现了可升级性、硬件和软件可重用性、以及兼容性。S12XS系列可以经济而又兼容地扩展至带XGate协处理器的S12XE系列单片机,从而削减了成本,并缩小了封装。CPU最高总线速度40MHz,具有64KB、128KB和256KB闪存选项,均带有错误校正功能,带有ECC的4KB至8KBDataFlash,用于实现数据或程序存储,可配置8、10或12位模数转换器(ADC),转换时间3μs,带有16-位计数器的、8-通道定时器,出色的EMC及运行和停止省电模式。根据设计需要并结合我对MC9S12XS128微控制器的运用相对熟练,考虑性价比,同时,MC9S12XS128完全能够完成本次设计的要求,所以我们选择了该方案。1.2.3电机驱动方案方案一:采用双极性晶体管??D772、D882构成的电机驱动电路。该电路结构简单,容易制作,但其压降比较大,而且功耗也很大,而且该方案还不可以对其信号细分和电流衰减,达到减震的目的。所以本设计不采用该方案。方案二:东芝公司的TB6560AHQ二项步进电机专用驱动芯片,与早期推出的TB6560HQ芯片相比,其性能有较高的提高,输出电流可达3.5A,采用该芯片的驱动板在电路上,结构上使用了可靠性设计,在普通散热方式的情况下可稳定的工作在3A电流。完全可以驱动本设计中的步进电机。同时该方案可以将信号细分和电流衰减,实现0.1°步距,使得平台控制十分平稳。所以,采用该方案。1.2.4电源模块方案一:采用稳压芯片LM7805提供电源,LM7805比较便宜并且比较稳定,单片机的电源由LM7805提供比较稳定。方案二:采用集成多路输出电源,一个集成块能提供多个电路的电源,电压稳定。不过集成多路输出电源价格比较贵,再说互相之间有干扰。1.2.5角度传感器模块角度传感器在这个系统中也起到了举足轻重的作用,反馈给控制模块的信息的准确度直接影响到系统的精确性,以下我们提出了几种方案。方案一:三轴传感器与WDY32Z-1角位移传感器结合。WDY32Z-1角位移传感器是根据转轴转动时输出端的电位会跟随着改变,单片机根据A/D转换后的信息对角度进行分析,灵敏度高。能够一定程度上弥补机械结构不稳定对三轴传感器数据采集的影响。但是两个角度传感器数据处理复杂,数据采集处理经常出现错误。所以本设计不采用该方案。方案二:采用ADXL345三轴传感器,ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜感测应用中测量静态重力加速度,还可以从运动或者振动中生成动态加速度。它的高分辨率(4mg/LSB)能够分辨仅为0.25°的倾角变化,但是由于本设计机械强度不够,影响三轴传感器采集到的数据的准确性。所以本设计不采用该方案。方案三:采用WDY32Z-1角位移传感器。该传感器采集的数据稳定性很强,完全能够满足本设计的要求。根据以上比较,综合低功耗、性价比,在本次设计上选用方案三。系统硬件单元的电路设计2.1控制器单元电路设计MC9S12XS128单片机的性能和参数:MC9S12XS128是一款针对汽车电子市场的高性能16位单片机,具有速度快,成本低,功耗低等特点。特点:(1)总线速度高达40MHZ;(2)128KB程序Flash和8KBDataFlash,用于实现程序和数据存储,均带有错误校正码ECC;(3)可配置8位,10位或12位ADC,3μs的转化时间;(4)内嵌MSCAN模式用于CAN节点应用,内嵌支持LIN协议的增强型SCI模块及SPI模块;(5)4通道16位计数器;(6)出色的低功耗特性,带有中断唤醒功能的10,实现唤醒休眠系统的功能;(7)8通道PWM,易于实现电机控制。MC9S12XS128单片机系统原理如图2-1所示图2-1的单片机最小系统原理图晶振器单片机正常工作的保证,如果振荡器不起振,系统将会不能工作;假如振荡器运行不规律,系统执行程序的时候将会出现时间上的误差,这在通信中会体现的很明显:电路将无法通信。它是由一个晶振和两个瓷片电容组成的,x1和x2分别接在单片机的XTAL1和XTAL2上,晶振和瓷片电容是没有正负的,要注意两个瓷片电容相连的那端一定要接地。2.复位端与复位电路复位电路图给单片机一个复位信号(一个一定时间的低电平)使程序从头开始执行;一般有两个复位方式:上电复位,在系统一上电时利用电容两端的电压不能突变的原理给系统一个短时的低电平:手动复位,同时按钮接通低电平给系统复位,这时如果手按着一直不放,系统将一直复位,不能正常工作。这里用的电容是电解电容,是有正负的,如果接反了,它就会爆炸。2.2电源单元电路设计LM7805构成电源电路,7805为3端正稳压电路,T0-220封装,能提供多种固定的输出电压,应用范围广。内含过流可达1A。虽说是固定稳压电路,但使用外接元件,可获得不同的电压和电流。7805的实物图如图2-2所示图2-27805的实物LM7805的电路图如图2-3所示图2-3LM7805的电路C1和C2是输入端和输出端的滤波电容,并且如果当输出电流较大时,7805应配上散热器。2.3电机驱动电路设计由TB6560AHQ构成的步进电机驱动,其中TB6560AHQ的芯片资料:TB6560AHQ是东芝公司主推的低功耗,高集成两相混合式步进电机驱动芯片,配合简单的电路即可开发高性能的驱动电路。特性:1双全桥MOSFET驱动2耐压40V3电流3.5A峰值4具有整步、1/2细分、1/8细分、1/16细分运行方式可供选择5内置温度保护及过流保护7采用HZIP25封装外8外围电路简单管脚说明TQ2:电机力矩控制器,既可以选择工作电流,又可以在电机不转时作半流锁定功能TQ1 :TQ2 TQ1 电流值L L 100%L H 75%H L 50%H H 20%CLK:输入脉冲ENABLE:使能端RESET:上电复位地线OSC:斩波频率控制端:C1000PF,f44KHz;C330PF,f130KHzVH:驱动电压小于40VDCMB:电机绕组B相地线RB:B相电流检测端,须大于0.2Ω0.2Ω/1w2.5A0.22Ω/1W2.0A0.3Ω/1W1.5A0.35Ω/1W1.25A0.47Ω/1W1A12、MB-:电机绕组B相13、MA:电机绕组A相14、RA:A相电流检测端,须大于0.2Ω0.2Ω/1W2.5A0.22Ω/1W2.0A0.3Ω/1W1.5A0.35Ω/1W1.25A0.47Ω/1W1A15、地线16、MA-:电机绕组A相17、VH:驱动电压小于40VDC18、TSD:温度保护,芯片温度大于150℃自动断开所有输出19、VCC:5V稳压电源20、DIR:正反转控制21、M2:细分数选择端22、M1:细分数选择端M2 M1 0 0 整步0 1 1/2细分1 0 1/16细分1 1 1/8细分23、PFD2:衰减方式控制端24、PFD1:衰减方式控制端PFD2 PFD1 0 0 快衰减0 1 25%快衰减1 0 50%快衰减1 1 慢衰减三、TB6560AHQ的优势:(1)支持各种步进电机选型:客户可选择力矩稍大的的混合式或永磁式步进电机,使电机工作在最大转矩的百分之30至50之间,电机成本几乎不变;芯片提供大电流设置和多档电流衰减模式,支持相同动力指标下各种不同参数的步进电机。(2)电机振动小噪音低:由于TB6560AHQ芯片芯片自带16细分功能,能够满足每分钟从几十到近千转的应用要求,且自动产生纯正的正弦波控制电流,与其它高集成度芯片相比,在相同高转速下力矩不但不会下降,反而有所增加;由于TB6560AHQ芯片可承受峰值40V的驱动电压、峰值3.5A的电流,为电机在大力矩、高转速下持续运行提供了的技术保障。(3)嵌入式驱动器体积小巧易散热:大电流驱动时,芯片的散热面便于外连散热器,也可以直接连接在用户原有控制器金属壳体上,嵌入式驱动器体积小巧、易于散热。TB6560AHQ构成的步进电机驱动的实物图基本功能1、全双桥MOSFET驱动,耐压40V,驱动电流额定3A,峰值3.5A,内置温度保护及过流保护功能。2、输出标准的三轴驱动,并有第四轴扩展接口,方便用户自由扩展第四轴。3、配有15针手控接口,可以方便的连接手控手柄。4、自动半流控制功能,在无驱动脉冲时电机半流锁定,可有效保护步进电机,节省电能,延长步进电机使用寿命。5、四档细分设置:整步、1/2、1/8、1/16,三个拨码开关可分别设定三个轴的细分步数。6、限位扩展接口,可以连接限位开关,在每个轴到达限位位置时自动急停,使您能放心使用而不必担心损坏雕刻机。7、主轴控制接口,可控制主轴继电器的开合,从而控制主轴的启停。8、单电源输入,只需输入一组12~40V供电电源就可工作,板上集成有5V电源转换电路。特殊配置1、电脑并口信号驱动能力弱,输出电平不稳定,且不同的主板输出的高电平电压也不统一。本驱动板有74HC14芯片对并口信号整形,使输出电平统一并提高驱动能力,避免步进电机失步、不响应等情况的发生。2电脑并口和驱动电源之间有光耦隔离,防止驱动电源流入电脑损坏电脑主板、CPU、硬盘等。3、黑色正品超大散热片,可有效解决主芯片的发热问题。4、有极性电容除三个大容量的外,其余全部用钽电容,保证稳定的性能和使用寿命。接口及其定义:1、并口控制的25个脚定义如下:PIN1:CKEE轴脉冲PIN2:CKAA轴脉冲PIN3:CWAA轴方向PIN4:CKBB轴脉冲PIN5:CWBB轴方向PIN6:CKCC轴脉冲PIN7:CWCC轴方向PIN8:空PIN9:空PIN10:DIN1限位1PIN11:DIN2限位2PIN12:DIN3限位3PIN13:DIN4限位4PIN14:CWEE轴方向PIN15:空PIN16:EN所有轴使能PIN17:RLY继电器控制PIN18~25:GND接地2、手控1~PIN15定义如下PIN1:CKAA轴脉冲PIN2:CWAA轴方向PIN3:CKBB脉冲PIN4:CWBB方向PIN5:CKCC轴脉冲PIN6:CWCC轴方向PIN7~8:空PIN9:CKEE轴脉冲PIN10:CWEE轴方向PIN11:EN使能PIN12:MOTO电机控制PIN13:VCC电源正PIN14:空PIN15:GND地3、步进电机驱动电源请接12~40V10A以上,板上标有电源正负极。4、第四轴扩展接口,从上到下定义为:EN、CW、CK、VCC、GND、主轴继电器控制、VCC。5、限位接口定义:5脚插针靠近手控接口为1脚,远离分别为2~5脚。其中1脚为GND,2~5脚分别对应并口的13、12、11、10。细分设置:拨码开关的1/2:ON/ON整步、ON/OF1/2、OF/ON1/16、OF/OF1/8。衰减方式设置:拨码开关的3/4:ON/ON快衰减、ON/OFF25%快衰减、OFF/ON50%快衰减、OFF/OFF慢衰减2.4角度传感器模块采用WDY32Z-1角位移传感器,角位移传感器的介绍。角位移传感器原理:是位移传感器的一种型号,采用非接触式专利设计,与同步分析器和电位计等其它传统的角位移测量仪相比,有效地提高了长期可靠性。它的设计独特,在不使用诸如滑环、叶片、接触式游标、电刷等易磨损的活动部件的前提下仍可保证测量精度。角位移传感器特点:该传感器采用特殊形状的转子和线绕线圈,模拟线性可变差动传感器(LVDT)的线性位移,有较高的可靠性和性能,转子轴的旋转运动产生线性输出信号,围绕出厂预置的零位移动±60(总共120)度。此输出信号的相位指示离开零位的位移方向。转子的非接触式电磁耦合使产品具有无限的分辨率,即绝对测量精度可达到零点几度。主要技术参数:1.旋转位移,工作温度范围大,自带信号调节2.免接触型传感器,适应不良环境(振动、冲击、潮湿、盐雾等,出色的温度稳定性)3.线性(100%行程):0.25~0.54.多种范围、直流输出其实物图如其实物图如液晶显示采用LCD1602来显示,LCD1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用,正因为如此所以他不能显示图形。其实物的管脚图其实物的管脚图引脚 符号 功能说明1 VSS 一般接地2 VDD 接电源(+5V)3 VO 液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高(对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度)。4 RS RS为寄存器选择,高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。5 R/W R/W为读写信号线,高电平1时进行读操作,低电平0时进行写操作。6 E E或EN端为使能enable端,下降沿使能。7 DB0 低4位三态、双向数据总线0位(最低位)8 DB1 低4位三态、双向数据总线1位9 DB2 低4位三态、双向数据总线2位10 DB3 低4位三态、双向数据总线3位11 DB4 高4位三态、双向数据总线4位12 DB5 高4位三态、双向数据总线5位13 DB6 高4位三态、双向数据总线6位14 DB7 高4位三态、双向数据总线7位(最高位)(也是busyflag)15 DBA 背光电源正极16 DBK 背光电源负极理论分析与计算3.1建立模型与控制方法为了能够让自由摆能够更好的进行摆动有利于数据的采集我们对自由摆的机械结构进行了数次改装。起先的结构如(图2)所示。该结构只有一个三轴传感器,安装在的转轴下方20cm处,转轴与固定支架之间由一个承轴作为接触点,将承轴用金属半弧扣固定在固定支架上。该结构有一个致命缺陷就是机械机构不够,对三轴传感器的数据采集有一定的影响。改装后的结构如(图3)所示。经过改装后的结构是由两个传感器组成,将三轴传we感器安装于平板的底部,在延长后的转轴后面增加了一个角位移传感器并将其固定在固定支架上,该结构改善效果并不是很明显,轴承的缘故强度依旧不够,影响到角位移传感器数据的采集,采集到的数据混乱。并没有做到预期的效果。之后,我们对结构进行了第二次改装,如(图4)所示。该结构去除了三轴传感器,将两个承轴安入凹槽中,用金属半弧扣将其固定在固定金属架上,用一条金属条贯穿其中作为转轴末端连接一个角位移传感器。经过改装后,经过改装后的结构达到了预期的效果。图3-13.2算法分析由于该系统的运动过程比较复杂,难以建立准确的数学关系,所以主要采用的控制方法是模糊控制算法和PID控制算法。对于基础部分,通过建立的模型可以计算出一个理论上期望的角度,但是为了精确稳定的控制,我们还需要实时性的知道平板的状态是否发生了改变,即它本身的角度是否发生了偏离,因此在平板附近放置了角度传感器实时测量平板的偏离角度,将这个角度反馈给单片机,在将这个角度通过步进电机补偿给平板。但是实验表明这仍然很难达到稳定的状态,因此,我们还采用了模糊控制算法,在上面的基础上,通过多次实验,积累一定的经验,进一步对平板进行调整,从而达到稳定的目的。对于发挥部分,首先,需要算出平板转动的角度和摆杆摆动的角度之间的关系,其等效模型图如图(d)所示:图(d)运动过程等效模型图由图可知,角度和线段是已知的,是需要求出的角度。由几何关系可得出以下几个等式:然后,根据正弦定理有:由此可以得出,同理可以计算出当摆杆摆向左边时,可计算出相应的角度,即通过数学关系算出角度后,再通过控制器进行相应的转换,就可以计算出步进电机所需的步进数,同基础部分一样,仍然实时测量平板的偏离角度,将这个角度反馈给单片机进行相应补偿,然后再通过实验,用模糊控制算法,进一步进行微调。3.3角度变化产生的误差:在实验过程当中,该设计可能会由于步进电机在告诉旋转的时候失步而产生较大的误差。同时,也会在不同角度的时候产生不同的误差。3.4测试结果与分析1.测试步骤与结果:1).准备测试相关工具序号 仪器名称 数量1 稳压源 12 量角器 13 米尺 14 硬币 82).测试平板随摆杆的摆动而旋转,摆杆摆一个周期,平板转360度基本一电机旋转周数(周) 5 6 7偏差角度(度) 15 16 2225 19 2423 16 30偏差平均值 22 17 26分析:该数据表明,本设计比较精确,误差不大。基本二起摆角度(度) 30 35 40 45 -45 -40 -35 -30硬币滑离中心距离(cm) 0.5 0.2 0.3 0.2 0 0 0.2 0.10.6 0.1 0.2 0.5 0.6 0.6 0.3 0.10.4 0 0.3 0.5 0.8 0.6 0.2 0.2滑离平均值(cm) 0.5 0.15 0.3 0.4 0.5 0.4 0.2 0.1分析:该距离还是准确的,比较符合要求。基本三起摆角度(度) 60 55 50 45 -45 -50 -55 -60硬币保持有效个数(个) 3 4 8 8 8 2 0 02 3 2 4 4 3 2 00 2 8 3 4 2 1 0个数平均值(个) 2 3 6 5 5 2 1 0分析:在+-45°的时候成功率比较高,但是随着角度的变大而减小。对于分析出来的理论数据进行MATLAB仿真,发现在0°-35°左右,曲线的斜率很好,这个对于我们进行控制,写程序等提供了很大的帮助。MATLAB仿真图,如图4.平板状态测试方法:用水平计进行测量,用传感器测量,用三角板等等。2.结果分析:1).硬币滑落原因分析分两种情况,向平板前滑落和平板后滑落,其中,向平板前滑落有两个原因,一是初始状态步进电机的转角过大;二是步进电机在摆杆启动后,回转时间延时过长。向平板后滑落也有两个原因,一是初始状态步进电机转角太小;二是步进电机在摆杆启动后,回转时间延时太短。2).偏差产生原因偏差的产生也有两方面的原因,一是硬件方面的原因,步进电机的最小步距角为0.1度,而步进电机本身容易抖动,这个抖动带来的平均偏差就是2cm;同时,电位器的线性度不足,导致步进电机的步进数会有误差。系统软件设计4.1程序功能描述与设计思路4.1.1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现角度传感器的信号的读取,以及对应角度传感器的电机的转角的合算。1)电位器角度传感器的功能:把摆杠变化的角度转换为电压值送给单片机。2)电机转角的功能:根据摆杠的变化打出对应的角度从而不让硬币掉下来。4.1.2、程序设计思路电位器角度传感器的信号读取,是比较简单的只要通过读取对应的电压值就行。电机转角可以利用PI算法,角度传感器读进来的值经过换算,转换为PWM波从而控制电机转动。4.2主程序流程图软件开发工具、制作调试过程5.1软件开发工具KeiluVision2是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统,使用接近于传统c语言的语法来开发,与汇编相比,C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势,因而易学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期,他还能嵌入汇编,您可以在关键的位置嵌入,使程序达到接近于汇编的工作效率。KEILC51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。C51编译器的功能不断增强,使你可以更加贴近CPU本身,及其它的衍生产品。C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中,这个集成开发环境包含:编译器,汇编器,实时操作系统,项目管理器,调试器。uVision2IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。软件图如图5-1所示图5-1软件图KeiluVision2是一个基于Window的开发平台包含一个高效的编辑器一个项目管理器和一个MAKE工具uVision2支持所有的KEIL8051工具包括C编译器宏汇编器连接/定位器目标代码到HEX的转换器uVision2通过以下特性加速你的嵌入式系统的开发过程:器件库用来配置开发工具设置,项目管理器用来创建和维护你的项目,全功能的源代码编辑器,所有开发工具的设置都是对话框形式的,真正的源代码级的对CPU和外围器件的调试器,集成的MAKE工具可以汇编编译和连接你的嵌入式应用,高级GDIAGDI接口用来在目标硬件上进行软件调试以及和Monitor-51进行通信,与开发工具手册和器件数据手册和用户指南有直接的链接。KeiluVision2是一款较成熟的51单片机开发环境,在此仅对其一些辅助功能做一些描述。Keil提供了一些辅助工具如外围接口、性能分析、变量来源分析、代码作用分析等,帮助我们了解程的性能、查找程序中的隐藏错误,快速查看程序变量名信息等。这部份功能并不是直接用来进行程序调试的,但可以帮助我们进行程序的调试、程序性能的分析,同样是一些很有用的工具。5.2PCB板制作打印电路板。将绘制好的电路板用转印纸打印出来,注意滑的一面面向自己,一般打印两张电路板,即一张纸上打印两张电路板。在其中选择打印效果最好的制作线路板。裁剪覆铜板,用感光板制作电路板全程图解。覆铜板,也就是两面都覆有铜膜的线路板,将覆铜板裁成电路板的大小,不要过大,以节约材料。预处理覆铜板。用细砂纸把覆铜板表面的氧化层打磨掉,以保证在转印电路板时,热转印纸上的碳粉能牢固的印在覆铜板上,打磨好的标准是板面光亮,没有明显污渍。转印电路板。将打印好的电路板裁剪成合适大小,把印有电路板的一面贴在覆铜板上,对齐好后把覆铜板放入热转印机,放入时一定要保证转印纸没有错位。一般来说经过2-3次转印,电路板就能很牢固的转印在覆铜板上。热转印机事先就已经预热,温度设定在160-200摄氏度,由于温度很高,操作时注意安全!腐蚀线路板,回流焊机。先检查一下电路板是否转印完整,若有少数没有转印好的地方可以用黑色油性笔修补。然后就可以腐蚀了,等线路板上暴露的铜膜完全被腐蚀掉时,将线路板从腐蚀液中取出清洗干净,这样一块线路板就腐蚀好了。腐蚀液的成分为浓盐酸、浓双氧水、水,比例为1:2:3,在配制腐蚀液时,先放水,再加浓盐酸、浓双氧水,若操作时浓盐酸、浓双氧水或腐蚀液不小心溅到皮肤或衣物上要及时用清水清洗,由于要使用强腐蚀性溶液,操作时一定注意安全!线路板钻孔。线路板上是要插入电子元件的,所以就要对线路板钻孔了。依据电子元件管脚的粗细选择不同的钻针,在使用钻机钻孔时,线路板一定要按稳,钻机速度不能开的过慢。5.3元器件焊接根据电路原理图确定所需的电子元器件清单,将各元器件按PCB位置放好进行焊接。焊接有相应的先后循序,低的元器件先焊如(电阻,二极管,稳压管),再焊高一点的元器件如(电容,芯片等)这样一来焊接会比较容易也会更美观。电路板焊接好以后,首先要做的是检查电路板是否存在短接,虚焊等情况,对芯片的每个角的电压进行测量。保证所有的元器件都是在正常的工作的情况下,再进行下一步的测试。5.4电路的调试一焊好的电路板不可能马上就出来现象,这就需要我们进行调试。只有把硬件调试好了,这样写起程序来才方便,所有硬件的调试十分重要。调试也要分步骤来,一步一步一个一个功能去实现,就如我的远程智能控制系统我先调试我的红外学习电路,让它实现对遥控器的学习控制,在这基础之上在进行定时、掉电保护电路的调试。5.5硬件结构组装硬件结构组装就如造房子要在适当的位置放适当的系统,一些系统互相之间是有干扰的,如果处理不好不论你怎么弄结果都是不佳的。而组装的原则是对于无线的、高频之类的尽量让他们单独为一个单元,而电源之类的要考虑散热对其他系统的影响。5.6软件系统编写调试硬件是人的身体,而软件就是人的大脑,只有一个好的大脑人才会做出正常的反应。所以软件是十分重要的,对于软件的编写调试也就十分的重要了。对于任何一个事物它所具备的各个功能的程序是不一样的,所以对于我的远程智能电器的控制的程序它是包括红外学习、定时、掉电保护、电话控制等子程序组成的。所以在编写调试程序时,我也是一个一个的功能去写去调试的,先实现最基本的再在这基础之上去增加别的功能,最后完成整个程序的设结论:本文介绍了各个系统的实现原理,相应的硬件电路图、软件编写的思路等。同时还比较了多种实现功能的方案