基于自由擺的平板控制系統(tǒng)

1、論文編號： b 甲 02902 2011 年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽題目 b：基于自由擺的平板控制系統(tǒng)學(xué)校：院系：參賽學(xué)生：2 基于自由擺的平板控制系統(tǒng)摘要：基于自由擺的平板控制系統(tǒng)設(shè)計采用stc89c52單片機作為核心， 使用高精度電位器快速檢測擺桿的角度， 根據(jù)擺桿的角度可以通過單片機驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動來調(diào)節(jié)平板獲得想要的擺桿角度。同時在平板上添加傾角傳感器， 可以配合高精度電位器一起來修正平板角度，從而根據(jù)需要實現(xiàn)對平板角度的精確控制。對設(shè)計建立模型進行精確地數(shù)學(xué)分析可以達到更加精確穩(wěn)定的效果，但是動態(tài)的系統(tǒng)模型建立非常復(fù)雜， 在計算過程中反而會產(chǎn)生更大誤差，所以我們可以進行數(shù)學(xué)模擬分析之

2、后， 設(shè)置一個近似最佳模擬狀態(tài)， 在這個接近理想的狀態(tài)基礎(chǔ)上進行誤差補償， 該補償量與每一時刻的角度有一定關(guān)系，為了讓補償量盡量達到精確，我們將擺動過程分段處理，進行實驗調(diào)試獲得理想的補償量。關(guān)鍵詞： ad 轉(zhuǎn)換傾角傳感器步進電機激光筆一、方案論證與選擇1、驅(qū)動方式與驅(qū)動電機的選擇要使電機可以調(diào)節(jié)平板獲得想要的角度，電機必須有很好的機動性能， 不但能夠有足夠的響應(yīng)速度，還能平穩(wěn)的進行精密的定位。方案一：采用 pwm 控制的直流電機， 直流電機可以對電機的速度進行平滑的調(diào)節(jié)，但直流電機在本設(shè)計中不能根據(jù)角度有效的控制電機轉(zhuǎn)動。方案二：用單片機控制的步進電機， 由于控制信號是數(shù)字信號， 不再需要數(shù)

3、/模轉(zhuǎn)換；步進電機采用脈沖驅(qū)動，轉(zhuǎn)動的方向、速度都是可控的。便于根據(jù)測量的角度根據(jù)需要調(diào)節(jié)步進電機的轉(zhuǎn)動。綜上所述，我們選用dr-2h042m 驅(qū)動混合式步進電機42bygh4417。2、角度測量器選擇（1） 、測量擺桿角度：方案一：選用旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器易受到振動的影響。 在低速旋轉(zhuǎn)或停止時， 加在軸或本體上的振動使旋轉(zhuǎn)槽圓盤抖動，可能會發(fā)生誤脈沖。方案二：選用 wdd35d-4 電位器應(yīng)用 wdd35d-4 導(dǎo)電塑料電位器測量擺桿旋轉(zhuǎn)的角度，擺桿的旋轉(zhuǎn)改變電位器的大小，將輸出電壓經(jīng)過傳入ad 轉(zhuǎn)換芯片，即時測量擺桿的角度，電位器精度高，輸出信號大，性能穩(wěn)定，分辨率高，轉(zhuǎn)動順滑, 能夠很好

4、的檢測出單擺角度的微小變化 ,符合設(shè)計要求。綜上所述，選擇方案二。（2） 、測量平板角度：方案一：選用 mma7455測量芯片mma7455 是數(shù)字三軸加速度檢測芯片，抗沖擊能力比較不強。由于本設(shè)計中需要檢測平板與水平方向的角度，所以用此芯片不易處理數(shù)據(jù)。方案二：傾角傳感器sca60c 選用測量范圍是90的，能夠即時測量平板的角度， 便于根據(jù)要求調(diào)節(jié)板的角度。該傾角傳感器的工作溫度范圍比較寬，抗沖擊能力比較強，能耗低。綜上所述，選擇方案二。二、理論分析計算與電路設(shè)計3 1、系統(tǒng)方案框圖圖（1）2、角度調(diào)節(jié)分析與控制方法（1） 、擺桿擺動一個周期控制電機使平板旋轉(zhuǎn)一周：.可以根據(jù)初始角 與 36

5、0的關(guān)系，確定擺桿每擺動 時，平板轉(zhuǎn)動的角度為=90/。.平板要轉(zhuǎn)的角度 確定每次的步進數(shù)： b=/0.225（0.225為電機步進角） 。.根據(jù)步進數(shù) b 來控制電機旋轉(zhuǎn)，這里會出現(xiàn)誤差。可以在每次的步進數(shù)中添加一定補償步進數(shù)c， 根據(jù)實驗測量獲得合適的誤差步進數(shù)c 來將誤差降到最小。（2） 、將擺桿擺到一定角度后， 讓擺桿自由擺動， 保證擺桿擺動過程中平板上的硬幣不滑落：.初始調(diào)節(jié)平板水平：當(dāng)擺桿轉(zhuǎn)動，只需平板按順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)。.在擺桿擺動過程中，根據(jù)受力分析，要使硬幣不相對平板滑動，需要硬幣受到的支持力n 與重力 g 的合力正好為硬幣提供沿著擺桿的向心力和垂直于擺桿的線加速度。 通過

6、分析發(fā)現(xiàn)， 理想的位置是使平板在每一時刻都處在與地面平行和與擺桿垂直之間。.設(shè)初始角 為正，向下運動時測量平板此時角度，角度 0 時，這要使平板反轉(zhuǎn) 角，可以讓板在轉(zhuǎn)動到水平位置， 在水平的的基礎(chǔ)上， 再反轉(zhuǎn)合適的調(diào)整角度，這個調(diào)整的角度在擺桿向下擺動時與擺桿的此時角度成正比且小于擺桿此時的角度 ，我們先取調(diào)整角度為 /3，當(dāng)角度 =0 時，只需要補償 /3。 同理得到擺桿角度 0,且向上擺動時測量平板此時角度，角度0 時，只需要正轉(zhuǎn)合適的調(diào)整角度。先設(shè)定正轉(zhuǎn)的擺動角度為2/3, 同理得到擺桿角度 0且向上擺動時的調(diào)節(jié)方法，通過測試改變調(diào)整角度獲得理想效果。3、硬件設(shè)計（1） 、平板控制電路圖

7、將精密電位器和傾角傳感器分別與一個ad 轉(zhuǎn)換芯片 tlc2543 相連，轉(zhuǎn)換芯片連接單片機，將獲得的角度傳給單片機，可通過lcd 顯示角度大小，單片機與驅(qū)動的步進電機相連，用單片機控制驅(qū)動轉(zhuǎn)動電機獲得所需角度。單 片 機 控 制 模塊平板角度控制模塊光電測量模塊驅(qū)動與電機模塊擺 桿 角 度測 量 模塊4 連接圖如下：圖（2）（2） 、光電測量電路圖激光點距光敏電阻的遠近影響光敏電阻的阻值，從而通過變化的電壓反饋給單片機，進而精確通過電機調(diào)節(jié)平板的旋轉(zhuǎn)位置。圖（3）三、系統(tǒng)軟件設(shè)計1、系統(tǒng)框圖5 圖（4）四、系統(tǒng)測試方案與測試數(shù)據(jù)1、將擺桿拉到一定角度，啟動程序，讓擺桿擺動一周期，測量平板是否經(jīng)

8、過一周期后旋轉(zhuǎn)一周到達起始位置。測試結(jié)果：初始角 304560補償電機步數(shù) c 1 2 2 誤差度數(shù)2025282、將擺桿拉到一定角度，啟動程序讓平板平行，放置1 枚硬幣查看硬幣隨平板運動過程中的滑落狀況。測試結(jié)果初始角 304045滑動距離0cm 0cm 0cm 3、將擺桿拉到一定角度，啟動程序讓平板平行，放置8 枚硬幣查看硬幣隨平板運動過程中的滑落狀況。測試結(jié)果：初始角 455060非疊放硬幣數(shù)0 0 1 掉落數(shù)0 0 0 上電啟動yes 按鍵 1 測量起始角 a 擺 桿 角度變化no 調(diào)節(jié)平板檢測擺角檢測平板調(diào)節(jié)平板調(diào)節(jié)平板檢測激光位置檢測擺角調(diào)節(jié)平板檢測激光位置調(diào)節(jié)平板擺角是否變化no

9、 yes 按鍵 2 按鍵 2 按鍵 1 初始調(diào)平按鍵 1 按鍵 2 6 4、用手將板使擺桿保持一定角度，15 秒鐘內(nèi)控制平板盡量使激光筆照射在中心線上。測試結(jié)果：擺桿角度 304560偏離中心線距離0cm 0cm 0.1cm 用時15s 15s 15s 5、將擺桿調(diào)到一定角度放開讓擺桿自由擺動，擺動過程中盡量使激光筆光斑始終瞄準照射在靶紙的中心線上。測試結(jié)果：初始角 304560最大偏離距離2cm 3cm 5cm 五、總結(jié)經(jīng)過緊張的三天四夜的奮力拼搏，我們通過小組成員之間的通力協(xié)作，相互探究，終于完成了基于自由擺的平板控制系統(tǒng)實驗設(shè)計。在本次設(shè)計的過程中，我們在分析原理，構(gòu)造數(shù)學(xué)模型中遇到困難，浪費不少時間，但是我們改變思路，在建立模型的基礎(chǔ)上近似計算，在理論聯(lián)系實際，通過多次的實驗測量獲得補償量，調(diào)整到最佳狀態(tài)。 在硬件設(shè)計中也遇到不少問題，選用不合適器件導(dǎo)致測試失敗，經(jīng)過分析換用更加合適器件得到理想結(jié)果。等等的這些都是經(jīng)過多次試驗與小組成員共同探究得以解決，這讓我們明白只有對問題進行詳細分析才能在整體上保障設(shè)計的準確性、合理性；只有相互的探究，共同的學(xué)習(xí)，才能發(fā)現(xiàn)錯誤，解決問題，獲得進步，這也讓我們深深認識到團隊精神的重要性。本次設(shè)計提高了我們解決問題的能力，也發(fā)現(xiàn)自己的不足之處，會在以后工作生活加以改進。參考文獻：1 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) .北京:：高等教育出版