基于自由摆的平板控制系统郑博文

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基于自由摆的平板控制系统

摘要

本设计主要是研究自由摆的平板控制系统，以STC12C5412AD单片机为主控芯片，结合当代自动控制技术、传感器技术、伺服机控制技术，单片机采集数据并利用PID算法对电机控制，考虑到本系统的定位要求高、稳定性好，在此伺服机选取步进电机；控制简易，确凿是本系统的亮点，选用三位的拨码开关，配置工作模式。为了提高本系统稳定度，倾角传感器角度数据处理运用均值法软件滤波后对数据进行读取。

关键字

STC12C5412倾角传感器步进电机PID控制算法

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一、系统方案比较与选择1.1方案一

本方案采用TI公司的MSP130F149单片机为控制核心。角度传感器MMA7455

进行数据采集。用SGS公司的ULN2023芯片驱动步进电机，由于ULN2023芯片只能驱动小型步进电机且MMA7455数据变化太大，不能满足系统要求。

1.2方案二

本方案以高性能单片机C80C51F20为核心处理器，用WDSD4B-5K角度与电压

线性关系,通过AD来采样转换所需的数字量，以L297和L298来驱动步进电机，但是L298跟L297不能确切控制系统的平板的运动。

1.3方案三

考虑到系统稳定性、控制精度和速度要求，选择1T模式STC12C5412单片机作为核心处理器，用高精度SCA61T倾角角度传感器的采集角度的数据，步进电机驱动采用东芝公司生产的TBH6016，它的细分功能能够确切控制电机转动角度，对本系统进行控制实现简单与确切。

上面的三个方案都可以实现，由于综合考虑成本和方案的可行性，本系统采用方案三。

二、方案论证与设计2.1微控制器的选择

本系统需要进行大量的信号处理运算，另在控制过程要进行数据的运算，与控制伺服电机采取相应要快。实现快速的确切的控制，需较高的运算速度的MCU，选用宏晶科技单片机STC12C5412AD作为控制器，由STC12C5412AD单片机，完成数据采集，电机控制，定时计数，信息显示等功能。这样合理地分派了单片机的资源，具有很强的实时性和较高的确凿性。电路设计和制作比较简单，成本也低。

2.2步进电机驱动电路

步进电机的驱动采用东芝公司的TBH6016，它的芯片集成度很高，外围电路极简单，可靠性高，能够对步进能进行细分，提高控制精度。本系统对控制确切度要求高，此芯片采用能够对步进进行16、8、4、２细分，选取步进电机的是每一个步进角度为0.9度。采用16细分后0.05625，可满足本系统精度与控制速度的要求。

2.3数据的采集

本系统需要实时跟踪自由摆偏转角度，控制步进电机的偏转，本系统采用芬兰VTI公司的高分辩、低噪声、稳定性好、抗冲击能力强的单轴倾角传感器芯片SCA61T，SCA61T为SPI协议的数字输出，MCU可直接处理数据。应用电路简单，编程简便，具控制精度与线性度满足系统的要求。

2.4电源的选择与设计

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本系统需要5V、3.3V和12V的三种电压供电，应选用自己设计的开关电源组中的8V供电，经由LM7805及AMS1117稳压后输出5V和3.3V电压，分别给单片机和激光笔供电，实现了控制电路和电动机电源隔离，避免了单电源供电时，电机起停产生的大电流对单片机和其他模块的影响，以及电机在突停与突起对单片机引进来的干扰。

2.5机械系统的选择

本系统是在做类似于单摆的往复运动时，空气阻力与材质的是否笔直，对其影响较大，会增大系统误差，选用铝合金做为机械系统的摆架框架部分，从而能够较好的保持在一个平面内，不会去现前后晃动的现象，为更好保持稳定，减少系统本身可能导致的误差。

三、理论分析与计算３.1数学建模

摆杆夹角为?（?在30?~60?），要求启动后系统应在15秒钟内控制平板尽量使激光笔照射在中心线上（偏离绝对值?1cm）。在??56?时，示意图如图3.1所示。

图3.1自由摆平板系统

在三角形ABC中，AB的长度为对应的夹角的正弦定理，有

1?1，BC长度为tg??1.5，根据三角形边和cos?

得出：

100(1?cos?))（1）

100?100sin?由此我们得出步进电机需要转的角度与单摆角度关系。

??arctan(３.２控制方法

PID在工业控制的一种常用的方法,按比例，微分，积分的函数关系，进行运

算用以输出控制，优点是控制精度高，且算法简单明白．俭约单片机的资源和运

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算时间，当被控制对象快要接近目标值时采用此算法减少失步与越步，从而达到确切控制。

四硬件电路与软件程序设计4.1电路设计

本系统电路结构框图如下图4.1所示。

图4.1系统框图

4.2软件设计

系统主程序流程图如图4.2所示。摆杆摇摆时，角度值不断的变化，倾角传感器把数据变化反馈到单片机上，对步进电机进行实时控制，使平板上的重物保持平衡。