畢業(yè)設計 基于自由擺平板控制系統(tǒng)

1、蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文）摘要 本設計要求設計一個基于自由擺的平板控制系統(tǒng)，控制電機能使平板可以隨著擺桿的擺動而旋轉(3-5周)，擺桿擺一個周期，平板旋轉一周。在平板上擺放一枚和八枚硬幣，一枚硬幣時用手堆動擺桿至一個角度(30度到45度)，八枚硬幣時，用手堆動擺桿至一個角度(45度到60度)，啟動系統(tǒng)后，讓自由擺自由的擺動，在五個周期內，不讓平板上的硬幣掉下來。 本設計是基于AT89C52單片機為主控芯片，將角度傳感器與自由擺頂端相連，利用角度和電阻值的線性關系，采用單片機進行AD轉換器轉換角度傳感器兩端電壓的變化，并在LCD液晶屏上顯示轉換后的角度值，通過單片機對電機驅動芯片控制驅動電機，

2、實現(xiàn)電機隨著擺桿的擺動而正反轉和停轉的功能，應用單片機對采集到的電壓進行PID控制算法，再通過改變PWM的占空比達到精確控制電機轉速的目的，從而使平板隨著擺桿的擺動一直與水平面保持平行?；谧杂蓴[的平板控制系統(tǒng)能夠使放在平板上的小物件在擺動的過程中不會掉下來。關鍵詞：AT89C52；AD轉換；步進電機；LCD屏- -AbstractThe design requirements and design a tablet based on free pendulum control system can control the motor plate can swing with the pend

3、ulum rotates (3-5 weeks), the pendulum swing a cycle, tablet revolution. Placed on the plate and an eight coins, a coin pile hand when moving to a pendulum angle (30 degrees to 45 degrees), eight coins, hand heap to a moving pendulum angle (45 degrees to 60 degrees), start the system, let freedom pe

4、ndulum swinging freely in the five periods, not to fall flat on the coin.This design is based on AT89C52 microcontroller as the master chip, the angle sensor is connected to the top of the free pendulum, the use of angle and the linear relationship between the resistance value, the use of single-chi

5、p AD converter converts the voltage across the sensor angle changes, and on the LCD screen displayed angle value after conversion by the motor driver chip microcontroller controls the drive motor, the motor with the swing of the pendulum and stopped reversing function, application microcontroller co

6、llected voltage PID control algorithm, and then by changing the PWM duty cycle to achieve the purpose of precise control of motor speed, so that the plate with the pendulum has been swinging parallel to the horizontal plane. Tablet based on free pendulum control system enables small objects on the p

7、late in the swing process will not fall off.Key Words: AT89C52, ADStepper motor, LCD screen- III -目 錄摘要IAbstractII1 緒論11.1 課題背景與意義11.2 課題的內容與要求12 系統(tǒng)方案設計32.1 結構框圖32.2 系統(tǒng)模塊選擇設計32.2.1 控制器模塊32.2.2 角度轉換模塊42.2.3 電機模塊42.2.4 驅動電機模塊42.2.5 顯示模塊43 理論分析與計算53.1 自由擺平板系統(tǒng)模型建立53.2 自由擺旋轉角度與電機旋轉角度關系建模與分析63.3 發(fā)揮部分建模與設計

8、64 電路與程序設計84.1 電路設計84.1.1 驅動步進電機模塊84.1.2 角度檢測模塊84.1.3 顯示器模塊94.1.4 系統(tǒng)電路94.2 程序設計104.2.1 Keil軟件介紹104.2.2 程序設計流程圖105 Protues仿真測試及分析125.1 Protues軟件介紹125.2 Protues仿真測試電路135.3 測試數據135.4 測試分析14結 論15致 謝16參考文獻17蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文）1 緒論1.1 課題背景與意義 單片微型計算機簡稱單片機，常用英文字母的縮寫MCU，單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一

9、個芯片上。單片機由運算器，控制器，存儲器，輸入輸出設備構成，學習使用單片機是了解計算機原理與結構的最佳選擇。它最早是被用在工業(yè)控制領域。由于單片機在工業(yè)控制領域的廣泛應用，單片機由僅有CPU的專用處理器芯片發(fā)展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。INTEL的8080是最早按照這種思想設計出的處理器，當時的單片機都是4位或8位的。其中最成功的是INTEL的8051，此后在8051上發(fā)展出了MCS51系列單片機系統(tǒng)。因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。盡管2000年以后ARM已經發(fā)展出了32位的主

10、頻超過300M的高端單片機，直到現(xiàn)在基于8051的單片機還在廣泛的使用。在很多方面單片機比專用處理器更適合應用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了廣泛的應用。事實上單片機是世界上數量最多處理器，隨著單片機家族的發(fā)展壯大，單片機和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。 現(xiàn)代人類生活中所幾乎所有每件電子器件的產品中都會集成有單片機。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標等電子產品中都含有單片機。汽車上一般配備幾十種片單片機，復雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上能使數百片單片機同時工作！單片機的數量不但遠超過PC機和其他計算機的總和，甚至比地球總人數還多。 基于自由擺的平板控制系統(tǒng)設計有利于熟悉單片機原理和掌握C語言

11、編程，增強動手能力。1.2 課題的內容與要求 設計并制作一個自由擺上的平板系統(tǒng)，其結構如圖1.1所示。擺桿的一端通過轉軸固定在一支架上，另一端固定安裝一臺電機，平板固在電機轉軸上；當擺桿如圖1.2所示擺動時，驅動電機可以控制平板轉動。用手推動擺桿至一個角度(在45度到60度間)，調整平板角度，在平板中心穩(wěn)定疊放8枚1元硬幣，啟動后放開擺桿讓其自由擺動。在擺桿擺動過程中，要求控制平板狀態(tài)使硬幣在擺桿運動中不從平板上滑落，并保持疊放狀態(tài)。并且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，調節(jié)靶子高度，使光斑照射在靶紙的某一條線上，標識此線為中

12、心線。系統(tǒng)啟動后，在15秒鐘內控制平板盡量使激光筆照射在中心線上。 圖1.1 自由擺結構 圖1.2 自由擺擺動示意圖2 系統(tǒng)方案設計本課題要求設計并制作一個自由擺上的平板控制系統(tǒng)，能實現(xiàn)在自由擺擺動過程中平板自由旋轉，以及在自由擺擺動過程中平擺上放置硬幣使硬幣不滑落。發(fā)揮部分要求實現(xiàn)用手推動擺桿至一個角度(在30度到60度間)，系統(tǒng)啟動后，系統(tǒng)應在15秒鐘內控制平板盡量使平板上的激光筆照射在設定的中心線上1。2.1 結構框圖本系統(tǒng)利用AD轉換器轉換自由擺擺動角度并用數碼管顯示，利用單片機接收信號并控制步進電機來控制平板轉動。主要由角度轉換模塊、電機模塊、驅動電機模塊，顯示模塊，控制模塊。系統(tǒng)結

13、構框圖如圖2.1所示。 圖2.1 系統(tǒng)結構框圖2.2 系統(tǒng)模塊選擇設計 本系統(tǒng)以AT89C52作為控制核心，用四相八拍的步進電機來控制平板轉動，采用TLC549AD轉換器轉換自由擺擺動角度，并利用LCD1602數碼管顯示角度，采用達林頓ULN2003步進電機驅動器驅動步進電機。下面分別介紹這幾個模塊的設計。2.2.1 控制器模塊 采用ATMEL公司的AT89C52控制芯片。AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8kbytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數據存儲器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容

14、標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，8kB可反復擦寫(大于1000次)Flash ROM，32個雙向I/O口，256x8bit內部RAM，3個16位可編程定時/計數器中斷，時鐘頻率0到24MHz，具有低功耗空閑和掉電模式，軟件設置睡眠和喚醒功能。2.2.2 角度轉換模塊 采用TI公司的TLC549AD轉換器2。TLC549是TI公司生產的一種低價位、高性能的8位A/D轉換器，它以8位開關電容逐次逼近的方法實現(xiàn)A/D轉換，其轉換速度小于17us，最大轉換速率為4MHZ，4MHZ典型內部系統(tǒng)時鐘，電源為3V至6V?？捎糜谳^小信號的采集，它能方便地采用三線串行接口

15、方式與各種微處理器連接，構成各種廉價的測控應用系統(tǒng)3。2.2.3 電機模塊 采用四相八拍的步進電機控制平板的運動。步進電機是以“步”為單位旋轉的，數字特征比較明顯。四相八拍步進電機最小步進角為0.9度，因此能實現(xiàn)平板轉動的精確控制，步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性4，改變脈沖的順序，就可以改變轉動的方向，電機的停止、轉速只取決于脈沖信號的脈沖數和頻率，并且步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特性從而能較好的實現(xiàn)平板停止轉動的目的。2.2.4 驅動電機模塊采用達林頓ULN2003。ULN2003是高耐壓、大電流復合晶體管陣列，由七個硅NPN 復合晶體管組成，具有電流增益高、工作電壓高，

16、灌電流可達500mA，能夠在關態(tài)時承受50V 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行，還具有帶負載能力強等特點，適應于各類要求高速大功率驅動的系統(tǒng)5。ULN2003的每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7K的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數據。2.2.5 顯示模塊采用LCD1602顯示。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示符號、字母、數字等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，

17、LCD1602能顯示16*2，即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數字）。3 理論分析與計算3.1 自由擺平板系統(tǒng)模型建立 (1) 自由擺運動模型，系統(tǒng)是由輕桿和步進電機等組成，相較于步進電機輕桿重心可以近似為在平板附近，擺沿半徑為l的弧長自由擺動。示意圖如圖3.1所示。圖3.1 自由擺模型示意圖 在最低位置時平板將達到最大速度，因此在不計空氣阻力及固定點摩擦力的情況下利用能量守恒定律有：由此可以得出最大速度： 自由擺周期計算 根據單擺的周期計算公式：得單擺周期T=1.986ms。(2) 使硬幣不滑落的模型分析根據單擺的物理規(guī)律平板隨自由擺擺臂運動的加速度方向始終垂直與擺臂，當擺

18、角30度到45度之間時，經過推算，硬幣會受到平板沿平板方向上微弱的分力作用，但是考慮到兩者之間的摩擦力作用，靜摩擦力要遠大于沿平板方向分力作用，是不會使硬幣發(fā)生位移。因此只要保持平板與擺臂的垂直就能保證硬幣不會滑落。 自由臂開始運動時平板保持水平位置，要保證硬幣不從平板上滑落需要平板盡快保持與自由臂垂直，因此在放開擺時則需要讓平板盡快達到與自由臂垂直位置。3.2 自由擺旋轉角度與電機旋轉角度關系建模與分析由自由擺系統(tǒng)原理可知，控制平板狀態(tài)要保持平衡，即擺桿擺動多少角度，平板就需要轉動相應角。平板平衡示意圖如圖3.2所示。圖3.2 自由擺旋轉角與平板傾角關系 3.3 發(fā)揮部分建模與設計系統(tǒng)控制的

19、發(fā)揮部分要求是激光筆在擺桿自由擺動的過程中，照射在靶子上的光斑始終位于靶子的中心線上。已知擺長l=100cm，BC=150cm。自由擺逆時針旋轉時為了使激光筆照射到中心線上，步進電機需要順時針旋轉角度如圖3.3所示。 圖3.3 自由擺逆時針旋轉角度示意圖 通過分析擺桿擺動的角度和平板相對水平方向的轉動角度，建立數學方程式6，經數學計算可得步進電機旋轉角度： 若自由擺順時針旋轉時為了使激光筆照射到中心線上，步進電機需要順時針旋轉角度如圖3.4所示。圖3.4 自由擺順時針旋轉角度示意圖 經數學計算可得自由擺順時針旋轉時步進電機旋轉角度： 4 電路與程序設計4.1 電路設計4.1.1 驅動步進電機模

20、塊本模塊采用達林頓ULN2003驅動四相六線步進電機，電機的轉速、停止由AT89C52單片機所給達林頓ULN2003驅動器的脈沖信號頻率和脈沖數，電路設計如圖4.1所示。圖4.1 驅動步進電機電路截圖4.1.2 角度檢測模塊本模塊采用滑動變阻器代替實物角度變化量。通過改變滑動變阻器電阻值來模擬角度變化，并采用TLC549AD轉換器進行角度轉換7。角度檢測電路連接如圖4.2所示。圖4.2 角度檢測電路截圖4.1.3 顯示器模塊本模塊采用1602LCD顯示器實時顯示自由擺角度變化，其電路如圖4.3所示所示。 圖4.3 顯示模塊電路截圖4.1.4 系統(tǒng)電路 本系統(tǒng)采用TLC549AD轉換器轉換單擺擺

21、動角度并用LCD1602顯示角度，利用單片機接收信號并控制步進電機來控制平板轉動，系統(tǒng)電路設計如圖4.4所示。圖4.4 系統(tǒng)設計電路截圖4.2 程序設計4.2.1 Keil軟件介紹Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境(uVision)將這些部分組合在一起。運行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。如果使用

22、C語言編程，那么Keil幾乎就是不二之選，即使不使用C語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調試工具也會事半功倍。Keil優(yōu)點Keil C51生成的目標代碼效率非常的高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。C51工具包的整體結構，uVision與Ishell分別是C51 for Windows和for Dos的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。然后分別由

23、C51及C51編譯器編譯生成目標文件(.OBJ)。目標文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經L51連接定位生成絕對目標文件(.ABS)。ABS文件由OH51轉換成標準的Hex文件，以供調試器dScope51或tScope51使用進行源代碼級調試，也可由仿真器使用直接對目標板進行調試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM中8。4.2.2 程序設計流程圖(1) 程序功能描述本系統(tǒng)控制程序主要功能是：利用角度和電阻值兩端電壓的一一對應關系，自由擺擺動使角度變化，采集滑動變阻器兩端電壓的變化，通過AD轉換器轉采集的電壓變化數字量，再由程序計算得到角度變化的數字量，然后根據步進電機的步進

24、角度換算成步進電機所需要步數，單片機進行算法控制，再通過改變PWM的脈沖數，達到精確控制電機同軸的平板轉過的角度。(2) 程序設計思路由于單片機采集到的是電壓的模擬量，而自由擺旋轉的角度和電阻兩端的電壓成線性關系。因此，必須經過A/D轉換為數字量，再根據電壓量與角度的一一對應關系，計算出該給步進電機多少脈沖，實現(xiàn)對電機的控制。 由此，程序設計流程圖如圖4.5所示9。圖4.5 程序設計流程圖 5 Protues仿真測試及分析5.1 Protues軟件介紹 Protues軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單

25、片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現(xiàn)了從概念到產品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等。2010年增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其

26、他系列處理器模型。 在編譯方面，它也支持IAR、Keil ，Protues可提供的仿真儀表資源 ：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調試器、I2C調試器、信號發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個電路中隨意的調用。除了現(xiàn)實存在的儀器外，Protues還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來，其作用與示波器相似，但功能更多。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數指標，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗。這些都盡可能減少了儀器對測量結果的影響。在Protues搭建好原理圖后，調入已編譯好的目標代碼文件：HEX文件，可以在Protue

27、s的原理圖中看到模擬的實物運行狀態(tài)和過程。Protues是單片機課堂教學的先進助手。Protues不僅可將許多單片機實例功能形象化，也可將許多單片機實例運行過程形象化。前者可在相當程度上得到實物演示實驗的效果，后者則是實物演示實驗難以達到的效果。它的元器件、連接線路等卻和傳統(tǒng)的單片機實驗硬件高度對應。這在相當程度上替代了傳統(tǒng)的單片機實驗教學的功能，例：元器件選擇、電路連接、電路檢測、電路修改、軟件調試、運行結果等。課程設計、畢業(yè)設計是學生走向就業(yè)的重要實踐環(huán)節(jié)。由于Protues提供了實驗室無法相比的大量的元器件庫，提供了修改電路設計的靈活性、提供了實驗室在數量、質量上難以相比的虛擬儀器、儀表

28、，因而也提供了培養(yǎng)學生實踐精神、創(chuàng)造精神的平臺。隨著科技的發(fā)展“計算機仿真技術”已成為許多設計部門重要的前期設計手段。它具有設計靈活，結果、過程的統(tǒng)一的特點?？墒乖O計時間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風險。在單片機開發(fā)應用中Protues也能茯得愈來愈廣泛的應用。5.2 Protues仿真測試電路本系統(tǒng)仿真測試電路如圖5.1所示。圖5.1 系統(tǒng)仿真測試電路截圖5.3 測試數據測試結果如表5.1表述。表5.1 測試結果次數12345678顯示器角度604530200-20-45-60電機轉過角度-57.8-42-21-15.8015.847.263誤差2.2394.204.22.73

29、 從表5.1可以得出電機轉過角度與設計要求存在一定偏差，具體分析詳見下文。5.4 測試分析 (1) 自由擺轉動由角位移采集數據，經處理器計算控制電機轉動的過程需要消耗一定的時間。在這一定的時間之內自由擺又轉動了一定的角度。因此，電機的轉動總是晚于自由擺當時的角度產生誤差。 (2) 步進電機的轉動非無極轉動，當需要轉動的角度較小時無法剛好轉動需要的角度產生誤差。 結 論此次基于自由擺的平板控制系統(tǒng)設計，以單片機為控制核心，采用TLC549A/D轉換器實時轉換自由擺旋轉角度及方向信息，并通過步進電機開環(huán)控制平板旋轉角度，以實現(xiàn)控制要求。在一個周期里，平板角度調整速度快，平板旋轉角度誤差基本在15度以下，能夠實現(xiàn)硬幣滑動無跌落。本系統(tǒng)設計基本上能夠達到設計要求。在測試和分析過程中可以得到以下結論： (1) 采用高性能步進電機及配套的步進電機驅動器，該步進電機最小步進角為1.8度，且可對步進電機進行四細分、八細分、十六細分可調控制，進而實現(xiàn)步進電機的微小精確控制。此外，該步進電機具有較短的響應時間，經理論計算可完全滿足平板保持動態(tài)水平的實時性要求。 (2) 電機轉動3周，平板可以隨著擺桿的擺動而旋轉3周，擺桿擺一個周期，平板旋轉一周，偏差絕對值不大于15度。 (3) 自由擺擺動時(在30度到45度間)，平板中心的一枚1元硬幣（人民