傳感與檢測(cè)技術(shù)大作業(yè).pptx

傳感與檢測(cè)技術(shù)大作業(yè) 基于自由擺的平板控制系統(tǒng)分析 制作人 史小崢02094061王方超02094076布合且木02094079 一 任務(wù)介紹 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)自由擺上的平板控制系統(tǒng) 其結(jié)構(gòu)如圖1所示 擺桿的一端通過(guò)轉(zhuǎn)軸固定在一支架上 另一端固定安裝一臺(tái)電機(jī) 平板固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上 當(dāng)擺桿如圖2擺動(dòng)時(shí) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以控制平板轉(zhuǎn)動(dòng) 圖1圖2 2 二 要求 1 基本要求 1 控制電機(jī)使平板可以隨著擺桿的擺動(dòng)而旋轉(zhuǎn) 3 5周 擺桿擺一個(gè)周期 平板旋轉(zhuǎn)一周 360 偏差絕對(duì)值不大于45 2 在平板上粘貼一張畫有一組間距為1cm平行線的打印紙 用手推動(dòng)擺桿至一個(gè)角度 在30 45 間 調(diào)整平板角度 在平板中心穩(wěn)定放置一枚1元硬幣 人民幣 啟動(dòng)后放開(kāi)擺桿讓其自由擺動(dòng) 在擺桿擺動(dòng)過(guò)程中 要求控制平板狀態(tài) 使硬幣在5個(gè)擺動(dòng)周期中不從平板上滑落 并盡量少滑離平板的中心位置 3 用手推動(dòng)擺桿至一個(gè)角度 在45 60 間 調(diào)整平板角度 在平板中心穩(wěn)定疊放8枚1元硬幣 見(jiàn)圖2 啟動(dòng)后放開(kāi)擺桿讓其自由擺動(dòng) 在擺桿擺動(dòng)過(guò)程中 要求控制平板狀態(tài)使硬幣在擺桿的5個(gè)擺動(dòng)周期中不從平板上滑落 并保持疊放狀態(tài) 根據(jù)平板上非保持疊放狀態(tài)及滑落的硬幣數(shù)計(jì)算成績(jī) 2 發(fā)揮部分 1 如圖3所示 在平板上固定一激光筆 光斑照射在距擺桿150cm距離處垂直放置的靶子上 擺桿垂直靜止且平板處于水平時(shí) 調(diào)節(jié)靶子高度 使光斑照射在靶紙的某一條線上 標(biāo)識(shí)此線為中心線 用手推動(dòng)擺桿至一個(gè)角度 在30 60 間 啟動(dòng)后 系統(tǒng)應(yīng)在15秒鐘內(nèi)控制平板盡量使激光筆照射在中心線上 偏差絕對(duì)值 1cm 完成時(shí)以LED指示 根據(jù)光斑偏離中心線的距離計(jì)算成績(jī) 超時(shí)則視為失敗 2 在上述過(guò)程完成后 調(diào)整平板 使激光筆照射到中心線上 可人工協(xié)助 啟動(dòng)后放開(kāi)讓擺桿自由擺動(dòng) 擺動(dòng)過(guò)程中盡量使激光筆光斑始終瞄準(zhǔn)照射在靶紙的中心線上 根據(jù)光斑偏離中心線的距離計(jì)算成績(jī) 3 其他 一 系統(tǒng)的組成經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析和論證 決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下 1 控制器模塊 STC C A S 單片機(jī) 2 電機(jī)模塊 步進(jìn)電機(jī) 3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 L298芯片 4 顯示模塊 1602液晶顯示 5 平板傾斜角度計(jì)算模塊 PID算法 三 任務(wù)分析 二 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 2 1 1系統(tǒng)框圖 2 2 1控制器模塊的電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)控制器模塊的主要功能是 單片機(jī)接收從角度傳感器檢測(cè)來(lái)的信號(hào) 和按鍵控制電路輸入的電平信號(hào) 并將輸入的信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算 以控制1602LCD的顯示和電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng) 從而控制平板的轉(zhuǎn)動(dòng) 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 因此運(yùn)用單片機(jī)的最小系統(tǒng)就能完成各項(xiàng)要求 傳感器分析 這里所用的角度傳感器是指絕對(duì)角度傳感器 而不是增量式角度傳感器 這種傳感器其實(shí)就是旋轉(zhuǎn)編碼器 絕對(duì)式角度傳感器的意思是 傳感器轉(zhuǎn)到一個(gè)位置 輸出一個(gè)特定的信號(hào) 而且這個(gè)信號(hào)是唯一的 不變的 只要是在這個(gè)位置 就輸出這個(gè)信號(hào) 有的是電壓信號(hào) 有的是電流信號(hào) 也有的是頻率信號(hào) 不管是什么類型的信號(hào) 總之 這種傳感器可以唯一的確定傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)的位置 所謂增量式角度傳感器 就是傳感器每轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度 比如0 1度 視傳感器的精度而定 傳感器就輸出一個(gè)脈沖 輸出脈沖是方波 輸出的快慢要看傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢 這種傳感器其實(shí)適用于測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)速度 經(jīng)常用在測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度 組成轉(zhuǎn)速伺服系統(tǒng) 這種傳感器不是很合適 2 2 2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊的設(shè)計(jì)分析題目可知 在該系統(tǒng)中 可以通過(guò)改變h2的大小 來(lái)控制液體點(diǎn)滴的速度 這樣 采用步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)改變h2的大小 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片選用L298N作為驅(qū)動(dòng) 其電路圖如下圖所示 2 2 3平板傾斜角度計(jì)算方法的建模單擺周期 T 2 3 14 sqrt l g 其中 l為擺長(zhǎng)1M g為重力加速度9 8m s 2 該系統(tǒng)算得T 2006ms PID過(guò)程控制 2 2 3 1過(guò)程控制的基本概念過(guò)程控制 對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動(dòng)控制 1 模擬控制系統(tǒng)被控量的值由傳感器或變送器來(lái)檢測(cè) 這個(gè)值與給定值進(jìn)行比較 得到偏差 模擬調(diào)節(jié)器依一定控制規(guī)律使操作變量變化 以使偏差趨近于零 其輸出通過(guò)執(zhí)行器作用于過(guò)程 控制規(guī)律用對(duì)應(yīng)的模擬硬件來(lái)實(shí)現(xiàn) 控制規(guī)律的修改需要更換模擬硬件 2 微機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)以微型計(jì)算機(jī)作為控制器 控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn) 是通過(guò)軟件來(lái)完成的 改變控制規(guī)律 只要改變相應(yīng)的程序即可 3 模擬PID控制系統(tǒng)組成PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器 它將給定值r t 與實(shí)際輸出值c t 的偏差的比例 P 積分 I 微分 D 通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量 對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制 6 PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用1 比例環(huán)節(jié) 即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e t 偏差一旦產(chǎn)生 調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差 2 積分環(huán)節(jié) 主要用于消除靜差 提高系統(tǒng)的無(wú)差度 積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)TI TI越大 積分作用越弱 反之則越強(qiáng) 3 微分環(huán)節(jié) 能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì) 變化速率 并能在偏差信號(hào)的值變得太大之前 在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào) 從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度 減小調(diào)節(jié)時(shí)間 2 3 1系統(tǒng)軟件流程圖 開(kāi)始 模式一 初始化LCD 4個(gè)周期內(nèi)平板轉(zhuǎn)動(dòng)4周 模式三 模式二 實(shí)時(shí)顯示屏保傾斜角度 平板角度是否合適 判斷傾角大小 控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 三 誤差分析 1 電機(jī)抖動(dòng) 電機(jī)性能不能達(dá)到要求 程序控制方面存在一定問(wèn)題 2 單擺周期 空氣 線的阻力和單擺和支架間的摩擦力使周期變長(zhǎng) 另外單擺擺動(dòng)的角度超過(guò)6 這也使得單擺周期與實(shí)際存在一定程度的誤差 從而影響了對(duì)電機(jī)控制時(shí)機(jī)的把握 四 總結(jié) 本系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)作為核心部分 根據(jù)角度傳感器采集來(lái)的信息 經(jīng)計(jì)算得出數(shù)據(jù)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 從而達(dá)到系統(tǒng)的基本要求 在系統(tǒng)