基于单片机控制系统的三轴转台设计

第1章绪论三自由度转台的选题既有理论的价值又有实践的意义，由于国内外技术发展的有所不同，未来需在精准度、智能化等方向发展。本研究通过单片机和步进电机的控制实现低成本的精确设计，为转台的实用和模块的研究提供基础和高性价比，因此对建设和新型产业升级具有推进作用。1.1选题背景及意义三自由度转台涉及到多个领域且应用也非常的广泛，是一种能够模拟物体在三维空间中复杂运动的精密设备，广泛应用于航空航天、国防军工、自动驾驶、机器人技术等领域。然而在目前多数实验都是对于手动的三轴转台进行研制与试验，效率较低，但是对于贴近实验要求的电控类的转台，由于设计成本较高，不利于批量生产。三自由度转台的研究既是国家高端装备发展的迫切需求，也是精密机电系统技术进步的体现。其成果将直接服务于国防、现代化、智能制造、工业设计等国家战略，兼备学术的价值与工程实践意义。1.2运动转台的发展运动转台技术历经数十年发展，国外以美国为首在核心技术与高端的市场保持领先，国内通过自主创新在关键领域实现突破。1.2.1国外转台的研究状况在国际上，惯性制导技术很重要引起了不少注重先进技术和发展的国家。在转盘这项研究中，美国一直处于世界领先水平。其他发达国家的转盘也非常领先仅次于美国。国外研究以美国为首，20世纪60年代，美国通过改进轴承、驱动马达和检测元件显著提升转台性能，例如T-800型伺服转台实现了高精度动态控制‌。当前，欧美企业如美国‌CGC公司、德国‌MBB公司‌等，通过优化伺服系统与多传感器的融合技术，实现微弧度级角分辨率，满足航天器姿态模拟的需求。1.2.2国内转台的研究状况我国的转台研制工作相对于国外的起步较晚，开始于七十年代初期。1975年，在中船重工707里经过努力的研发，终于研制出了DT-1型单轴测试台。1979年我国首个双轴转台—TPCT-1型双轴汽浮轴承转台在哈工大和原六机部354所及441厂通力合作下成功的研制出来，TPCT-1型双轴汽浮轴承转台又称“7197在双轴台”。哈尔滨工程大学团队开发的三轴视觉跟踪稳定转台系统，采用卡尔曼滤波器融合三轴的加速度结合四元数微分方程修正陀螺漂移误差，并通过UD分解算法防止滤波器发散，显著提高了惯性稳定系统的姿态解算精度‌。国内三轴转台的研究虽然起步较晚但在智能、精准等领域取得显著的进展，但部分市场仍受制于核心的技术与原件制造。未来需依托政府政策的支持与各企业的联合，推动智能化控制和技术的融合，以满足建设与新型产业对高精度转台的极大需求。1.2.3运动转台的发展趋势1.高精度与智能化升级。2.运动转台应向着多轴化发展。3.大扭矩与轻量化设计并行。4.提高转台研发缩短周期来降低研制转台的成本。1.3选题的研究内容及论文的安排1.3.1研究内容1.基于单片机控制系统，编写程序，控制步进电机的旋转。2.用3个步进电机分别控制转台的3个自由度。3.每个步进电机分别按实验要求，旋转一定的角度，实现模拟导航设备的姿态。4.运用按键功能，实现每按键一次，改变一种姿态角度。1.3.2论文安排第一章：绪论。论文的开头先介绍了三自由度转台的研究的背景和选题的意义，然后介绍了国内外对转台的研究状况及发展的趋势，最后说明了本次课题的研究内容以及论文的安排情况。第二章：总体方案的设计。首先对外型结构方案进行了介绍然后对控制方式进行了选择。其次对单片机芯片、驱动芯片以及显示电路进行了选择，最后介绍了步进电机和步进电机的工作原理。第三章：控制系统的硬件电路设计。本章首先介绍了单片机及单片机最小的系统，其次介绍了键盘控制电路和LED显示电路的功能及电路设计进行。最后具体地介绍了步进电机的驱动电路以及其他电路。第四章：控制系统的软件设计。首选对本设计所需要实现的功能进行简单的描述，在对本次设计的控制系统软件设计进行了说明，叙述程序的原理，最后再介绍程序流程和三轴转台的流程图。第五章：三轴转台的实物制作与转动图片。介绍了在电路板的焊接过程需要注意的事项以及给出了焊接完成的电路板成品。其次确定方案后做出成品。最后对实物进行了测试，实现多个姿态的转动。第2章总体方案设计三轴转台需满足‌飞行器姿态模拟‌和‌动力学特性的复现‌，为机载雷达、导弹制导系统等提供高精度动态测试的环境。总体的设计分为单片机控制系统以及转台框架结构这两部分。其中为了满足设计要求实现转台的功能，设计了三轴转台的框架结构，使三轴转台实现模拟飞行器的各种姿态角运动。在设计电路时需要单片机分别控制三个步进电机的运转，采用切换电机的方式来进行编程实现设计的要求，而在驱动芯片的选择时，使用了驱动板来控制步进电机。2.1外型结构方案根据转台需求，提出了三自由度转台框架的结构方案。如图2-1所示。图2-1三轴转台框架结构2.2控制方式选择对于步进电机的控制方式：1.基于PLC的控制方式：PLC通过发送高速脉冲信号至步进驱动器，驱动器再将信号转换为电机角的位移，实现速度和位置的控制。环形脉冲分配器可以分为软件和硬件两种。软件型占用PLC资源较多但电路的结构简单；硬件型电路的结构复杂但节省PLC的资源。2.基于单片机的控制方式：单片机控制步进电机的核心在于‌脉冲序列的生成‌和‌绕组电流的控制‌。通过硬件的驱动电路放大信号，结合软件的算法调节脉冲频率和相位，可实现高精度的控制‌。生活中需根据负载的特性选择驱动模式并提升系统的稳定性‌。通过对两种控制方式的研究，结合各种原因，最终采用了基于单片机的控制方式。2.3单片机芯片该芯片是一种低耗能、高性能的CMOS8位单片机，指令代码完全的兼容传统8051。该芯片广泛应用于各种嵌入式系统的开发中。STC89C52配备了8K字节的系统‌。工作电压范围为3.3V-5.5V但常用的是5V版本。单片机芯片的工作电压大电流就越大。STC89C52单片机适用于各种嵌入式控制的场景，如工业生产、汽车控制、智能家居等。其广泛的I/O口和灵活的编程功能使其在开发中具有很高的灵活性。引脚图如图2-2所示。图2-2STC89C52RC引脚图‌2.4驱动电机芯片1.使用驱动芯片L298N。L298N芯片属于双H桥的驱动芯片，支持两相步进电机或两路直流的电机控制，最大输出电流为2A，工作电压范围为4.5V-46V。该芯片的输出电流很大、功率也很大，所以可以直接的驱动电机用来工作，常用于智能小车、机器人等项目中，支持PWM调速和方向的控制。使用ULN2003A驱动芯片。达林顿阵列驱动芯片，包含7路开漏输出，每路最大的电流为500mA，工作电压为5V。常用于驱动小型五线四相步进电机。因其工作电压高稳定性高价格实惠等优点用在单片机的工作电路中。综合各方面的考虑使用ULN2003A作为此设计的驱动芯片。实物图如图2-3所示。图2-3ULN2003驱动板2.5显示电路采用LED灯作为显示。LED称为发光二极管，是半导体组件，常用作指示灯的使用。本次设计采用了三个LED灯来显示切换三个步进电机。采用LED灯显示的方式，具有体积小、硬件电路简单、编程简便、价格低廉等优点。2.6步进电机简介及工作原理本次选用的是28BYJ-48步进电机，该型号的步进电机是最常见的，其目的性能以及性价比各方面都符合本设计的要求。连续的脉冲信号输入到其中时，对应于步进电机的旋转角度。例如当输入功率变化一次步进电动机的状态，相应的转子也旋转以对应于步距角，相对于其一个步骤。2.6.1步进电机简介步进电机是一种通过脉冲控制的设备，和其他电动机一样都是根据电磁的感应原理制作而成的。步进电机和其他电机比较最大的区别就在于步进电机每接收一个脉冲的信号对应的就转动一个角度，而步进电机在运动时又没有累计的误差因而精度高，步进电机这种控制的方式在精准定位领域重要存在，尽管存在高速性能的限制，但通过合理的设计和控制策略能满足广泛消费的需求。步进电机的结构简图如图2-4所示。图2-4步进电机构造图2.6.2步进电机的工作原理步进电机是一种将电脉冲信号转换为精确的机械运动的装置，其工作原理基于电磁的作用与机械结构的协同工作。四相电机在运行时分为三种驱动方式。第一种驱动的方式是四相单四拍，电机的通电顺序是A-B-C-D-A-B...，如表2-1所示。表2-1四相单四拍步序控制位工作状态A相B相C相D相11000A20100B30010C40001D第二种驱动的方式是四相双四拍，电机的通电顺序为AB-BC-CD-DA-AB-BC...，如表2-2所示。‌‌表2-2四相双四拍步序控制位工作状态A相B相C相D相11100AB20110BC30011CD41001DA第三种驱动的方式是四相八拍。电机的通电顺序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A-AB...，如表2-3所示。表2-3四相八拍步序控制位工作状态A相B相C相D相11000A21100AB30100B40110BC50010C60011CD70001D81001DA第3章控制系统的硬件电路设计控制系统的硬件电路设计是步进电机驱动的核心环节，直接影响运动的准度、稳定性和可靠性。本章对控制系统的硬件电路用来实验，为了满足本次设计的功能要求。在单片机最小系统的基础上加上了键盘控制电路，以便能够对步进电机进行控制，实现其正反转以及复位的功能，增加显示电路便于观察电机，电源电路为电路提供电源。本次的电路设计不仅实现设计功能，也做到了电路的结构简单、性价比高、控制方便。3.1单片机最小系统3.1.1最小系统的简介单片机最小系统是由晶振电路、单片机和复位电路构成的。复位电路：复位电路是单片机及数字系统中重要的功能模块，其核心作用是确保系统在特定的条件下恢复到原始的状态，避免程序逻辑的混乱或硬件的异常。对于单片机系统复位电路是必须存在的。如果电路中缺少复位电路，单片机不稳定可能就会导致单片机不能和原来的一样。时钟电路：在单片机的系统其依赖于时钟的振荡器频率电路的操作速度。而在设计时钟电路时，时钟电路的设计要与单片机尽量的接近。对于晶振频率的选择要在满足系统要求的基础上选择频率较低的晶振，这样能够降低系统所需的耗能。时钟电路的稳定和精度直接的影响系统性能与可靠性。设计时需根据应用场景的选择类型，优化电路的参数布局。无论是简单的8位单片机还是复杂的多核，时钟电路的设计始终是硬件工程师的核心技能之一。最小系统的电路图如图3-0所示。图3-0最小系统电路图3.1.2晶振电路以及复位电路的设计晶体电路的设计：外部时钟和所述内部时钟的模式：晶体电路是数字系统中提供高精度时钟信号的核心模块，其设计直接影响系统的稳定性、通信的速率及抗干扰的能力。本设计采用内部时钟晶体振荡器电路是由电容C2和C3以及两个12M晶体振荡器，其中两个电容器是晶体的频率产生的频率稳定，微调的函数，振荡器的振荡频率与晶体的相一致。复位电路的设计：本设计采用了上电高电平复位电路。用于确保微控制器的数字系统在电源稳定后可靠启动的硬件设计。其核心原理是通过控制复位引脚在上电初期强制保持高电平以触发复位，待电源稳定后释放复位的信号，使系统正常的启动。其作用为了让使单片机正常工作的同时又使复位电路保持低电平不工作的状态。具体电路图如图3-1所示。图3-1复位电路和晶振电路3.2键盘控制电路根据控制系统功能的要求，设置四个控制的按键：S1、S2、S3、S4，其中S1控制电机实现正转，S2控制电机用来反转，S3控制电动机的复位，S4控制电动机的切换功能。由S1，S2的状态变化，以实现电动机的正向和反向的控制。当控制键的输入信号S1或S2中，微控制器端口P0.0或P0.1的状态中检测到从高向低的端口，内部程序控制电机的正转或者电机的反转功能。当控制按键S3有输入的信号时，内部程序调用按键复位的程序来控制步进电机的复位功能。当控制按键S4有输入的信号时，调用切换电机的程序和LED显示的程序来实现三个电机的切换和LED灯显示的功能。如图3-2所示。图3-2键盘控制电路3.3LED显示电路本次设计的显示电路是针对三个电机的切换而设计的，使用LED灯来表示三个步进电机，以便于我们的观察。结合按键来达到按下切换按键的切换电机对应的LED灯亮的功能。LED灯的显示电路显示如图3-3所示。图3-3LED显示电路3.4步进电机驱动电路基础的驱动方案ULN2003+5V步进电机，‌‌适用于低成本、低功耗的场景。电路图核心组件‌为‌ULN2003达林顿阵列芯片‌，提供8路驱动的能力，续流二极管‌，‌MCU控制的信号。设计直接通过MCU的4个GPIO输出脉冲的信号来控制电机的相位。适合单极步进电机的简单的开环控制。ULN2003试验板的电路图如图3-4所示。‌图3-4ULN2003驱动板3.5其他电路控制系统的其他部分电路，如供电模块电路，如图3-5所示。图3-5供电模块电路第4章控制系统的软件设计本次控制系统的软件设计部分所要实现的功能：按下S1按键时，步进电机实现正转，转动程序中设定的角度。而按键S2则是实现反转，也转过相同的角度。当按下S4按键时，对步进电机进行切换，同时LED灯点亮分别对应的三个步进电机。当实现了设计所需要的的姿态时，按下S3按键实现对步进电机的复位功能。为了实现功能采用了控制定时器的中断技术，所以设计了延时程序的安排和LED显示的功能及步进电机的程序设计，中断的程序设计和按键的处理程序的变化等。4.1主程序流程图图4-1主程序流程图4.2扫描键盘子程序流程图扫描键盘电路采用的是扫描方法，其原理是将扫描出来的值与初始的值进行比较，若两者相等则说明按键没有被按下。若两者不相等，则要确认按键是否被按下，若是被按下就要处理键盘的子程序，如果没有被按下要返回上一个步骤重新选择。如图4-2所示。图4-2扫描键盘子程序流程图4.3按键处理子程序流程图按键处理子程序是通过四个按键分别来控制切换电机，正/反转以及复位四个功能，通过检测P0.0、P0.1、P0.2、P0.3这四个按键是否被按下来执行对应的按键功能。流程图如图4-3所示。图4-3按键处理子程序流程图第5章三轴转台实物制作及运转实验5.1电路的焊接电路板的焊接是三自由度转台的实物制作的关键环节，需严格的把控温度、时间、清洁及安全的规范，以保障硬件系统的可靠性。5.1.1电路板的焊接在电路板的焊接过程中，需要注意的事项有：1.烙铁头温度‌300-330℃‌，多层板/大面积铺铜可提升至‌350-380℃‌（但不超过元件耐温极限）。2.单焊点的加热时间‌2-3秒‌，避免长时间高温导致焊盘脱落。焊锡覆盖焊盘80%以上，无桥接。3.用无水酒精清除助焊剂残留检查无短路后通电，测试基本功能涂覆三防漆（防潮、防腐蚀）避开可调元件（电位器、开关触点）使用UV固化漆便于局部修复。4.禁止‌在通电的状态下焊接烙铁，不用时立即放回支架，避免烫伤或引发火灾。焊接含铅焊锡需戴手套，操作后彻底的洗手。5.1.2电路板实物电路板由万用板、STC89C52、步进电机、ULN2003驱动板、电阻、按键、Led灯、DC电源插口等组成。具体实物如图5-1所示。图5-1电路板实物5.2三轴转台实物三轴转台的简易模型由单片机以及转台两部分组成，转台的部分根据提出的外型框架的结构进行了制作，由底座、固定座、三个步进电机、法兰联轴器、连接轴以及工作的平台等部分组成。通过按键切换来控制电机的旋转，来实现方位角、横滚角、俯仰角的变换，从而实现平台姿态的变换。实物图如图5-2所示。图5-2三轴转台简易实物运转实验主要分为启动的准备，方位的变换以及复位这三部分。启动的准备：接通电源，切换所需要运转的电机。方位的变换：按下正/反转按键，步进电机将电脉冲转化为角位移，正/反转大约15度。再通过切换电机按键切换不