全國大學(xué)生電子競賽設(shè)計(jì)與總結(jié)報(bào)告-基于自由擺的平板控制系統(tǒng).doc

2011年全國大學(xué)生電子競賽設(shè)計(jì)與總結(jié)報(bào)告編 號(hào)： b甲03105 題 目：_ 基于自由擺的平板控制系統(tǒng) _學(xué) 校： 棗莊學(xué)院_ _ 學(xué)生姓名： _ 2011年9月3日目錄摘要- 3 -一、方案論證與比較- 4 -1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)框圖- 4 -1.2 方案論證- 4 -1.2.1 電源方案論證與比較- 4 -1.2.2 控制系統(tǒng)- 4 -1.2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方案論證與比較- 5 -1.2.4 傾角傳感器的選取- 5 -二、理論分析與參數(shù)計(jì)算- 5 -2.1 增量式pid控制步進(jìn)電機(jī)- 5 -三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)- 6 -3.1 電源電路- 6 -3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路- 6 -3.3 傾角傳感器電路- 6 -3.4 單片機(jī)系統(tǒng)電路- 6 -3.5 led模組電路- 7 -3.6 液晶顯示電路- 7 -3.7 1*4鍵盤模組電路- 7 -四、程序流程圖- 7 -模式一- 7 -模式二- 7 -模式三- 7 -五、單元測試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析- 8 -5.1 測試方法- 8 -5.2 測試數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)圖- 8 -5.3 測試結(jié)果分析- 9 -六、系統(tǒng)功能測試- 7 -6.1 基本功能測試- 7 -6.2 發(fā)揮部分測試- 8 -七、 總結(jié)與結(jié)論- 9 -參考文獻(xiàn)- 9 -附錄- 9 -附1：原器件清單- 9 -附2：系統(tǒng)使用說明- 10 -附3：部分源程序- 10 -附4: 電路原理圖- 12 -摘要 本設(shè)計(jì)以spce061a單片機(jī)作為主控制器，結(jié)合數(shù)據(jù)采集、傾角傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、led燈、液晶顯示以及鍵盤等模塊共同實(shí)現(xiàn)了自由擺的平板控制功能。軟件部分使用c語言編寫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)平板的轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控制。自由擺的運(yùn)動(dòng)為連續(xù)的過程，所以控制采用了積分分離增量式pid控制算法。整個(gè)系統(tǒng)模塊化程度好、集成度高，充分發(fā)揮了單片機(jī)靈活、實(shí)用、控制準(zhǔn)確的特點(diǎn)，并且具有有友好的人機(jī)交互界面。系統(tǒng)不僅完全實(shí)現(xiàn)了題目的基本要求，而且部分完成了題目發(fā)揮部分的要求。關(guān)鍵字：spce061a；平板控制系統(tǒng)；c語言；靈活；準(zhǔn)確abstract the design spce061a microcontroller as the master controller, combined with the data acquisition , tilt sensor , the motor drive , led , lcd display and keyboard module is put together to achieve a free flat-panel control. software components written in c using the single-chip, to achieve the rotation angle of the control panel .because the free movement of swing control of a continuous process, so the integral control law with a separate incremental pid control algorithm .the whole system is a good degree of modularity, high integration, give full play to the microcontroller flexible, practical, precise control features, and has a friendly interactive interface .system not only required to complete all basic part of the subject, but also completed the requirements to play a part.keywords: spce061a; flat control system; c language; flexible; accurate一、方案論證與比較 1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)題目要求本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模塊主要分為數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如下圖1.1.1：傳感器 splc061a單片機(jī) 模擬量輸入通道測控對(duì)象液晶、鍵盤電機(jī)模擬量輸出通道 傳感器 圖1.1.1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1.2 方案論證 1.2.1 電源方案論證與比較 方案一：采用1.5伏干電池。體積小，重量輕，使用靈活方便。但是不滿足長時(shí)間的持續(xù)供電的要求。 方案二：采用直流穩(wěn)壓電源。輸出精度高，032v可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍大，使用簡單，但是體積重量較大，不方便攜帶。方案三：采用自制5v/12v直流穩(wěn)壓電源。能夠使各模塊單獨(dú)供電，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，而且它具有體積小，重量輕，攜帶方便的特點(diǎn)。經(jīng)過仔細(xì)分析比較后，我們選擇方案三。 1.2.2 控制系統(tǒng)方案一：采用通用的51單片機(jī)作為主控制器。51單片機(jī)通用靈活、價(jià)格低廉、使用方便，但此單片機(jī)功耗較高，數(shù)據(jù)處理能力很弱，處理速度比較慢，資源不夠豐富，需要擴(kuò)展較多的外圍電路，降低了系統(tǒng)的可靠性，增加了制作的難度，難以滿足本設(shè)計(jì)要求。方案二：采用spce061a單片機(jī)作為主控制器。61單片機(jī)算術(shù)功能強(qiáng)，軟件編程簡潔靈活、自由度大 ，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種邏輯控制功能，且其功耗低、技術(shù)成熟，成本低廉。本系統(tǒng)主要是進(jìn)行反饋信號(hào)的處理以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制。因此我們選擇方案二。 1.2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方案論證與比較 方案一：使用普通直流電機(jī)。其控制簡單，利用雙極性pwm即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速和正、反轉(zhuǎn)。但該類電機(jī)的制動(dòng)能力較差，需要閉環(huán)控制速度，安裝調(diào)試復(fù)雜。方案二：選擇步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的角位移或線位移的機(jī)電組件它的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速分別取決于脈沖信號(hào)的數(shù)量和頻率，且只有周期性的誤差，因此可達(dá)到很高的控制精度，同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)還具有快速啟動(dòng)和停止的能力，輸出力矩大、控制難度較小等優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮我們選擇方案二。 1.2.4 傾角傳感器的選取用于測量和控制的傳感器種類很多，本系統(tǒng)主要目標(biāo)是保持平板工作臺(tái)的平衡性，所以采用的傳感器是傾角傳感器。傾角傳感器是一種通過把傳感器相對(duì)于基準(zhǔn)面的傾角(或傾角變化)轉(zhuǎn)換為與之相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)輸出，從而求出對(duì)應(yīng)的傾角值的裝置。現(xiàn)有的傾角傳感器分為三類，即重力加速度的擺式傾角傳感器，利用角速度積分的傾角傳感器和由多個(gè)傳感器組合而成的復(fù)合式傾角傳感器。綜合考慮我們選擇用角速度積分的傾角傳感器。二、理論分析與參數(shù)計(jì)算 2.1 增量式pid控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)采用增量式pid控制算法，雖然只是原來算法上的一點(diǎn)改進(jìn)卻帶來了很多優(yōu)點(diǎn)：由于由計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可以用邏輯判斷的方法去掉；由于只輸出本次的增量，與初始位置無關(guān)，因而有利于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無擾動(dòng)切換；算式中不需要累加不會(huì)引起累計(jì)誤差。通過pwm脈沖對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速示意圖如圖2.1.1所示：pid算法步進(jìn)電機(jī) 平衡板 r + e u u - 圖2.1.1：增量pid控制步進(jìn)電機(jī)簡化示意圖根據(jù)香農(nóng)采樣定理ts/max選取采樣周期ts，其中max為被采樣信號(hào)的上限角頻率，由增量式pid算法公式：u(k)=kpe(k)-e(k-1)+tse(k)/t1+td/tse(k)-2e(k-1)+e(k-2)可知只需儲(chǔ)存最近三個(gè)誤差采樣值e(k)、e(k-1)、e(k-2)就足夠完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制了。其中kp為比列放大系數(shù)，t1為積分時(shí)間常數(shù)，td微分時(shí)間常數(shù)， 為積分放大系數(shù)， 為微分放大系數(shù)。三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)題目要求自由擺平衡控制系統(tǒng)主要有電源、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傾角傳感器、led燈、液晶顯示屏和控制器模塊等構(gòu)成。 3.1 電源電路 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源為+12v穩(wěn)壓源，其電路圖見附錄4圖3.1.1所示。單片機(jī)控制電路為+5v穩(wěn)壓源，其電路圖見附錄4圖3.1.2所示。 3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖（見附錄4圖3.2.1）所示：4路控制信號(hào)經(jīng)光耦隔離后輸入42bygh4417，設(shè)計(jì)通過跳線帽可將im1和im2引腳接地，以便選擇激勵(lì)方式，因本系統(tǒng)采用1/8細(xì)分激勵(lì)，故不將這兩腳接地；42bygh4417還可控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，且能通過不能超過5khz時(shí)鐘輸入信號(hào)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度；nfa和nfb引腳信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)輸入電流，電流大小為：i0vref/rnf，其中rnf為nf端外接電阻，系統(tǒng)使用0.5、2w的大功率電阻；ea為片選引腳，低電平有效， rst為復(fù)位引腳，高電平有效，d1d8為快速恢復(fù)二極管，用于泄放繞組電流。 3.3 傾角傳感器電路 傳感器部分，在正常工作下，傳感器將測到的傾角轉(zhuǎn)換為占空比不同的頻率輸出。電路原理圖（見附錄4圖3.3.1）所示：mcu接口電路(圖見附錄4圖3.3.2)所示：j1與mcu的接口部分可以方便的與spce061a連接。 3.4 單片機(jī)系統(tǒng)電路 spce061a 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖見附錄4圖3.4.1： 3.5 led模組電路 當(dāng)指令完成時(shí)以led亮燈指示。led電路原理圖見附錄4圖3.5.1： 3.6 液晶顯示電路液晶顯示屏實(shí)時(shí)的顯示提示信息及自由擺與基準(zhǔn)軸的夾角。液晶顯示電路圖見附錄4圖3.6.1： 3.7 1*4鍵盤模組電路 1*4鍵盤作為人機(jī)接口可以更方便的控制系統(tǒng)功能的開啟，操作者可以通過按鍵來選擇想要實(shí)現(xiàn)的功能。其電路原理圖見附錄4圖3.7.1四、程序流程圖 模式一：完成基本要求一五周期自由擺，偏差絕對(duì)值小于45度。 模式二：完成基本要求二和三里一枚/八枚硬幣自由擺3-5周期內(nèi)不掉落。 模式三：完成發(fā)揮部分激光筆照射中心位置，完成后led亮燈指示。 程序流程圖以及各模式的流程圖見附錄4圖4.1.1 及4.1.2五、測試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析 5.1 測試方法 方法： 采用各個(gè)模塊先單獨(dú)進(jìn)行測試，測試通過以后各個(gè)部分組合成一個(gè)系統(tǒng)然后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行整體測試。首先將各個(gè)部分單獨(dú)輸入程序進(jìn)行測試測試通過，組合成系統(tǒng)后輸入調(diào)試好的程序進(jìn)行調(diào)試。 5.2 測試數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)圖 數(shù)據(jù)分析圖見附錄4圖5.2.1所示 5.3 測試結(jié)果分析 通過多次測試我們發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)的一些不足之處。由于軸承的摩擦、空氣對(duì)板的阻力、支座的穩(wěn)定性等因素系統(tǒng)不可能達(dá)到理想狀態(tài)，但是為了減小系統(tǒng)整體誤差我們進(jìn)行了多次測量實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)將誤差減至規(guī)定的范圍內(nèi)。系統(tǒng)在范圍內(nèi)已經(jīng)可以穩(wěn)定高效的運(yùn)行。六、系統(tǒng)功能測試 6.1 基本功能測試測試結(jié)果及分析表格如下所示：擺桿初始傾角/度計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值/次步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)/分60511734504217344132183631241836 8; switch(key) case 0x0010: /模式1 one(); break; case 0x0020: /模式2 *p_iob_dir=0xffff; *p_iob_attrib=0xffff; *p_iob_data=0x0000; motor_z2(165-sz)/4); break; case 0x0040: /發(fā)揮部分 *p_iob_dir=0xefff; *p_iob_attrib=0xefff; *p_iob_data=0x0000; sz=sz-210; sz=sz/1; for(h=0;h31;h+) if(sz=num1h) l=num2h; l=l/0.9; motor_z2(l-20); while(1) *p_iob_data=0x8000; delay_us2(450000); break; case 0x0080: si();break; default :break; 附4: 電路原理圖 .圖3.1.1：+12v電源 圖3.1.2：+5v電源 圖3.2.1：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路