吉林省大學(xué)生電子科技競賽

1、2016年吉林省大學(xué)生電子設(shè)計競賽多電機(jī)懸吊控制系統(tǒng)（G題）【本科組】2016年9月3日摘 要 本系統(tǒng)以C8051F040單片機(jī)為核心，加以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、OCMJ5X108液晶顯示屏、鍵盤、超聲波發(fā)聲器、陀螺儀數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)等電路組成，建立了1個由4個電機(jī)滑輪同時控制漏斗完成指定動作的機(jī)械系統(tǒng)。此系統(tǒng)良好地建立了步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)與所完成指令的各個參數(shù)之間的模型關(guān)系。模型中忽略了次要因素，保留了主要因素，實(shí)施較為容易簡便。該裝置使用了HC-SR04超聲波發(fā)聲器和陀螺儀，在實(shí)行的時候?qū)_度有一定保障。該設(shè)計較好實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)懸吊控制系統(tǒng)的所要求的功能。目 錄1系統(tǒng)方案11.1 電機(jī)驅(qū)動模塊的論證與選擇

2、11.2 漏斗水平調(diào)節(jié)模塊的論證與選擇11.3 控制系統(tǒng)的論證與選擇12系統(tǒng)理論分析與計算12.1 漏斗上下移動模型的分析22.1.1 脈沖數(shù)與收放量的關(guān)系22.1.2 脈沖周期數(shù)與距地面高度的關(guān)系式22.2 光束左右水平移動和傾斜角度的分析與計算23電路與程序設(shè)計23.1電路的設(shè)計23.1.1系統(tǒng)總體框圖23.1.2 馬達(dá)驅(qū)動模塊子系統(tǒng)框圖與電路原理圖33.1.3 鍵盤輸入模塊子系統(tǒng)框圖與電路原理圖33.1.4電源模塊4 3.1.5電源.43.2程序的設(shè)計43.2.1程序功能描述與設(shè)計思路43.2.2程序流程圖54測試方案與測試結(jié)果54.1測試方案54.2 測試條件與儀器64.3 測試結(jié)果及

3、分析64.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù))64.3.2測試分析與結(jié)論6附錄1：電路原理圖7附錄2：源程序8多電機(jī)懸吊控制系統(tǒng)（G題）【本科組】1 系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由電機(jī)驅(qū)動模塊、調(diào)節(jié)模塊和控制模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。1.1 電機(jī)驅(qū)動模塊的論證與選擇方案一：使用直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，使輸入輸出為直流電能。方案二：使用交流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，使輸入輸出為交流電能。方案三：使用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移。由于本題對于細(xì)繩的伸縮量精度和漏斗定位要求極高，因而電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)角度必須是良好可控的。使用步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向旋轉(zhuǎn)一個固定的角度（及步進(jìn)

4、角）。可通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。而兩外兩種電機(jī)受到電壓的控制，給電即轉(zhuǎn)動，無法達(dá)到較好的控制效果。因此選擇步進(jìn)電機(jī)作為本方案的驅(qū)動電機(jī)。1.2 漏斗水平調(diào)節(jié)模塊的論證與選擇方案一：重力感應(yīng)器的信息作為調(diào)節(jié)漏斗水平的標(biāo)準(zhǔn)。方案二：采用陀螺儀對漏斗的傾斜度做一個標(biāo)定。對于普通的重力感應(yīng)器，首先精度達(dá)不到題目給定的要求。其次，重力感應(yīng)器只能在垂直狀態(tài)下才能顯示出運(yùn)行狀態(tài)，局限性較大。對于陀螺儀來說，豎直方向和水平方向上均可以反映出漏斗的運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確度較高，且方便便宜，經(jīng)濟(jì)性良好。所以使用陀螺儀

5、來作為衡量漏斗是否水平的儀器,即方案二。1.3 控制系統(tǒng)的論證與選擇方案一：以C8051F310單片機(jī)作為主控制系統(tǒng)此單片機(jī)控制系統(tǒng)AD和DA轉(zhuǎn)換位數(shù)為10位，儲存空間相對較小，且運(yùn)行速度較慢，不適宜運(yùn)用到此方案中。方案二：以C8051F040單片機(jī)作為主控制系統(tǒng)芯片上有1個12位多通道ADC，2個12位DAC，2個電壓比較器，1個電壓基準(zhǔn)，1個32可B的FLASH存儲器，與MCS，51指令集完全兼容的高速CIP，51內(nèi)核，峰速值可達(dá)25MIPS。CIP-51采用流水結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。標(biāo)準(zhǔn)8051中，幾乎所有指令都需要12或24個系統(tǒng)時鐘周期，最大系統(tǒng)時鐘

6、頻率為12-24MHz。而對于CIP-51內(nèi)核，70%的指令執(zhí)行時間為1或2個系統(tǒng)時鐘周期，對指令的執(zhí)行效率有了很大的提升，故選擇了C8051F040單片機(jī)。2 系統(tǒng)分析理論與計算2.1 漏斗上下移動模型的分析與計算 2.1.1 脈沖數(shù)與收放量的關(guān)系 題目中要求需要保持圓盤水平，并且上下移動到指定位置，立體圖如圖所示。則四個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動應(yīng)做同樣動作。首先考慮電機(jī)的轉(zhuǎn)速問題。方案中采用的是步進(jìn)電機(jī)，思路為確定給予脈沖與收放線長度的關(guān)系。此類電機(jī)收到8個脈沖數(shù)轉(zhuǎn)動角度為0.7度，將每8個脈沖數(shù)看做一個周期，加之本方案采用的滑輪半徑R為2.5cm，可得出收到8個脈沖數(shù)時收放線長度的計算公式如公式（1

7、）。=0.03cm(1)2.1.2 脈沖周期數(shù)n與0點(diǎn)距地面高度y的關(guān)系式升降圖如圖1所示測得漏斗的高度為h=18cm，電機(jī)距地面高度為H=68cm，初始線長為L初=50cm（從O點(diǎn)距地面20cm處開始），漏斗懸吊處距距橫梁的水平距離XL=29cm，則可得出n與y的關(guān)系式如公式（2）。(2)以y為自變量，n為因變量，即可得出y關(guān)于n的函數(shù)關(guān)系式如公式（3）。(3)通過此函數(shù)關(guān)系式即可輸入指定高度讓單片機(jī)轉(zhuǎn)化為脈沖使電機(jī)執(zhí)行。 圖1 漏斗升降三維和二維示意圖2.2 光束左右水平移動和傾斜角度的分析與計算由于漏斗的運(yùn)動過程較為復(fù)雜，既有橫向也有縱向，還有一定的傾斜角度，顯然不適合建立數(shù)學(xué)關(guān)系式來完

8、成。對此本方案采用了ADXL345數(shù)據(jù)采樣器，經(jīng)過系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)采樣使移動距離更加精確。3 電路與程序設(shè)計3.1電路的設(shè)計3.1.1 系統(tǒng)總體框圖如圖所示，分為8大模塊，分別是陀螺儀采樣模塊、超聲波采樣模塊、鍵盤輸入模塊、控制模塊、馬達(dá)驅(qū)動模塊、液晶顯示模塊、警報模塊、電源模塊。下面重點(diǎn)給出主要模塊電路圖。圖2 系統(tǒng)總體框圖3.1.2馬達(dá)驅(qū)動模塊子系統(tǒng)框圖與電路原理圖1.馬達(dá)驅(qū)動子系統(tǒng)框圖圖3 馬達(dá)驅(qū)動子系統(tǒng)框圖2.馬達(dá)驅(qū)動子系統(tǒng)電路圖4 馬達(dá)驅(qū)動子系統(tǒng)電路3.1.3 鍵盤輸入模塊子系統(tǒng)框圖與電路原理圖1.鍵盤輸入子系統(tǒng)框圖圖5 鍵盤輸入子系統(tǒng)框圖2.鍵盤輸入子系統(tǒng)電路 圖6 鍵盤輸入子系統(tǒng)電路

9、圖3.1.4電源模塊電路圖7 電源模塊電路圖3.1.6.電源 電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個系統(tǒng)提供或者電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡單，都采用三端穩(wěn)壓管，故不作詳述。3.2 程序設(shè)計3.2.1 程序功能描述與設(shè)計思路1.程序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分主要實(shí)現(xiàn)鍵盤的設(shè)置和顯示。2.鍵盤實(shí)現(xiàn)功能：設(shè)置裝置上升和下降、向左和向右移動的距離，啟動裝置。3.顯示部分：顯示裝置上下左右移動的距離，漏斗傾斜的角度。3.2.2程序流程圖1.主程序流程圖圖8 主程序流程圖2.馬達(dá)驅(qū)動子程序流程圖圖9 馬達(dá)驅(qū)動子程序流程圖4 測試方案與測試結(jié)果4.1 測試方案4.1.1 硬件測

10、試1.傳感器采樣部分調(diào)試使用示波器和電壓表觀察采集角度傳感器的輸出，調(diào)整比較器的參考電壓和低通濾波的時間常數(shù)，使輸出達(dá)到要求。2.陀螺儀的調(diào)試調(diào)整參數(shù)，盡量抑制角速度零點(diǎn)漂移。3.超聲波裝置的調(diào)試在規(guī)定范圍內(nèi)利用超聲波裝置測距并得出其測量小角度，盡量減小誤差。電機(jī)運(yùn)行調(diào)試掌握電機(jī)轉(zhuǎn)過的圈數(shù)和設(shè)定的脈沖數(shù)之間的聯(lián)系，盡量減小誤差。4.1.2 軟件仿真測試本程序采用C51語言編寫，分模塊進(jìn)行調(diào)試。先將幾大模塊的電路分別調(diào)試，確認(rèn)無誤后再調(diào)試整個系統(tǒng)。調(diào)試時也可方便硬件的調(diào)試，一舉兩得。4.1.3硬件軟件聯(lián)調(diào)在軟件調(diào)試和硬件調(diào)試進(jìn)行完之后，進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)的方式，再進(jìn)行改善和優(yōu)化。4.2 測試條件與儀

11、器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表。4.3 測試結(jié)果與分析4.3.1 測試結(jié)果（數(shù)據(jù)）12345678設(shè)定上下移動距離上移5cm上移10cm上移15cm上移20cm下移5cm下移10cm下移15cm下移20cm實(shí)際上下移動距離4.7cm9.5cm14.6cm19.8cm4.6cm10cm14.9cm19.7cm上下移動距離誤差0.3cm0.5cm0.4cm0.2cm0.4cm0cm0.1cm0.3cm設(shè)定左右移動距離左移5cm左移10cm左移15cm左移2

12、0cm右移5cm右移10cm右移15cm右移20cm實(shí)際左右移動距離5cm10.2cm14.8cm20.2cm5.2cm9.9cm15cm19.9cm左右移動距離誤差0cm0.2cm0.2cm0.2cm0.2cm0.1cm0cm0.1cm設(shè)定偏斜角度10度20度30度40度50度60度實(shí)際偏斜角度8度22度34度43度46度55度偏斜角度誤差2度2度4度3度4度5度表1 測試數(shù)據(jù)表4.3.2 測試分析與結(jié)論本系統(tǒng)以C8051F040D單片機(jī)為核心，通過建立起精密的數(shù)學(xué)模型和使用陀螺儀、超聲波發(fā)生器等數(shù)據(jù)采樣裝置，使漏斗完成了題目要求的一系列動作。系統(tǒng)的基本功能和移動距離控制范圍與精確度基本達(dá)到

13、要求。本裝置如將受重力影響等的不穩(wěn)問題加以改善，可使精確度進(jìn)一步提高。附錄一.電路原理圖附錄2.源程序#include #include #include sbit TRIG = P17;sbit ECH0 = P16; signed int idata ACCELdata3; signed int idata GYROdata3; uchar ACCEL_data6; uchar GYRO_data6;unsigned char idata Sbuf32; unsigned long S=0;void UART0_Init(void);/void UART0_Interrupt(void);

14、void OSCILLATOR_Init(void);void PORT_Init(void);void Delay1ms(uint c); void StartModule();void Conut(void);void main(void)/uchar i;SFRPAGE = CONFIG_PAGE; WDTCN = 0xDE; / Disable watchdog timer WDTCN = 0xAD; OSCILLATOR_Init(); / Initialize oscillator PORT_Init(); / Initialize crossbar and GPIO UART0_

15、Init(); / Initialize UART0 SFRPAGE = TIMER01_PAGE; TMOD = 0x01; CKCON = 0x08; / EA = 1;Delay1ms(100); StartModule(); while(!ECH0);/當(dāng)RX為零時等待SFRPAGE = TIMER01_PAGE;TR0=1; /開啟計數(shù)while(ECH0);/當(dāng)RX為1計數(shù)并等待TR0=0;/關(guān)閉計數(shù)Conut(); while (1) SFRPAGE = UART0_PAGE;SBUF0 = S; while(!TI0);TI0=0; Delay1ms(1000); void C

16、onut(void)uchar time; time=TH0*256+TL0; TH0=0; TL0=0; S=(time*1.7)/100; /算出來是CM void StartModule() /啟動模塊 TRIG = 1; /啟動一次模塊 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); TRIG = 0; void OSCILLATOR_Init(void) int i; / Software timer char SFRPAGE_SAVE = SFRPAGE; / Save Current SFR page SFRPAGE = CONFIG_PAGE; OSCX

17、CN = 0x67; for (i = 0; i 3000; i+); / Wait 1ms for initialization while (OSCXCN & 0x80) = 0); CLKSEL = 0x01; OSCICN = 0x00; SFRPAGE = SFRPAGE_SAVE; / Restore SFRPAGE/-/ PORT_Init/-/ Return Value : None/ Parameters : None/ This function configures the crossbar and GPIO ports./ Pinout:/ P0.0 digital p

18、ush-pull UART TX/ P0.1 digital open-drain UART RX/ P1.6 digital push-pull LED/-void PORT_Init(void) char SFRPAGE_SAVE = SFRPAGE; / Save Current SFR page SFRPAGE = CONFIG_PAGE; / Set SFR page P0MDOUT = 0x03; / Set TX pin to push-pull P1MDIN = 0x3F; P1MDOUT = 0xC0; XBR0 = 0x04; / Enable UART0 XBR1 = 0

19、x00; XBR2 = 0x40; / Enable crossbar and weak pull-up SFRPAGE = SFRPAGE_SAVE; / Restore SFR page/-/ UART0_Init Variable baud rate, Timer 2, 8-N-1/-/ Return Value : None/ Parameters : None/ Configure UART0 for operation at 8-N-1 using Timer2 as/ baud rate source./-void UART0_Init(void) char SFRPAGE_SAVE; SFRPAGE_SAVE = SFRPAGE; / Preserve SFRPAGE SFRPAGE = TMR2_PAGE; TMR2CN = 0x00; / Timer in 16-bit auto-reload up timer mode TM