自由擺實(shí)驗(yàn)報(bào)告

PAGEword文檔可自由復(fù)制編輯基于自由擺的平板控制系統(tǒng)(B題）摘要本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，采用增量旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)時(shí)采集自由擺旋轉(zhuǎn)角度及方向，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制平板旋轉(zhuǎn)角度，以實(shí)現(xiàn)控制要求。此外，為方便實(shí)驗(yàn)和調(diào)試，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了獨(dú)立的單片機(jī)角度顯示電路。本設(shè)計(jì)以旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖觸發(fā)單片機(jī)的中斷來(lái)控制平板角度的調(diào)整，這種外部事件驅(qū)動(dòng)的程序設(shè)計(jì)方法能夠及時(shí)響應(yīng)擺桿角度的變化，避免了復(fù)雜的定時(shí)采樣程序設(shè)計(jì)，總體程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，響應(yīng)時(shí)間快，控制精度高。在激光筆瞄準(zhǔn)時(shí)采用了查表法，避免了單片機(jī)進(jìn)行復(fù)雜三角函數(shù)運(yùn)算造成的舍入誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)精度的影響，從而達(dá)到了在一個(gè)周期里電機(jī)精確旋轉(zhuǎn)一周；平板角度調(diào)整速度快，8枚硬幣滑動(dòng)小無(wú)跌落；實(shí)時(shí)控制激光筆保持靜態(tài)水平誤差在1cm以內(nèi)；動(dòng)態(tài)控制誤差在2cm以內(nèi)的實(shí)驗(yàn)效果。關(guān)鍵字：外部事件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)編碼器平板精確控制目錄1系統(tǒng)方案分析 11.1.1控制器選用 21.1.2控制系統(tǒng)方案選擇 21.2角度測(cè)量模塊的論證與選擇 21.3步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊的論證與選擇 22系統(tǒng)理論分析與計(jì)算 32.1自由擺平板控制系統(tǒng)的分析32.1.1自由擺平板系統(tǒng)模型建立 42.1.2角度測(cè)量原理分析 52.1.3平板角度的分析 52.2角度測(cè)量的計(jì)算 72.2.1單位脈沖轉(zhuǎn)過(guò)角度計(jì)算 72.2.2編碼器可行性計(jì)算 72.3步進(jìn)電機(jī)模塊的論證分析72.3.1步進(jìn)電機(jī)節(jié)拍數(shù)與螺旋碼盤(pán)輸出脈沖之間關(guān)系 72.3.2步進(jìn)電機(jī)最大空載啟動(dòng)頻率分析與計(jì)算 73電路與程序設(shè)計(jì) 83.1電路的設(shè)計(jì) 83.1.1系統(tǒng)總體框圖 83.1.2整體電路原理圖 93.1.3顯示子系統(tǒng)框圖與電路原理圖 93.2程序的設(shè)計(jì) 103.2.1程序功能描述 103.2.2具體的程序分析設(shè)計(jì) 124測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果 134.1測(cè)試方案 134.2測(cè)試條件與儀器 134.3測(cè)試結(jié)果及分析 144.3.1測(cè)試結(jié)果(數(shù)據(jù)) 144.3.2測(cè)試分析與結(jié)論 16實(shí)驗(yàn)總結(jié) 16參考文獻(xiàn) 17附錄1：電路原理圖 18附錄2：源程序 21附錄3：主要元器件清單 22基于自由擺的平板控制系統(tǒng)（B題）【本科組】1系統(tǒng)方案分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)為一種基于自由擺的保持平板平衡的控制系統(tǒng)?；疽笫潜３制桨迳嫌矌诺钠胶饣瑒?dòng)小或滑落少，進(jìn)一步的要求是讓平板上激光筆射在靶紙上的光斑偏移量盡可能小。在實(shí)時(shí)控制時(shí)，對(duì)自由擺的擺角、擺速及擺動(dòng)方向的測(cè)量十分關(guān)鍵，平板角度的控制精度和相應(yīng)速度也直接決定著最終的控制效果。據(jù)此，本系統(tǒng)采用以單片機(jī)為核心的自由擺控制系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)功能模塊構(gòu)成：1、單片機(jī)控制模塊2、角度測(cè)量獲取模塊3、平板平衡控制模塊4、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊5、角度值顯示模塊系統(tǒng)框圖如圖一所示。單片機(jī)控制單片機(jī)控制角度測(cè)量獲取平板平衡控制驅(qū)動(dòng)角度值顯示圖一系統(tǒng)組成框圖1.1主控制器件的論證與選擇1.1.1控制器選用我們選用MC9S12XS128單片機(jī)作為控制核心。1.1.2控制系統(tǒng)方案選擇方案一：采用在面包板上搭建簡(jiǎn)易單片機(jī)系統(tǒng)在面包板上搭建單片機(jī)系統(tǒng)可以方便的對(duì)硬件做隨時(shí)修改，也易于搭建，但是系統(tǒng)連線較多，不僅相互干擾，使電路雜亂無(wú)章，而且系統(tǒng)可靠性低，不適合本系統(tǒng)使用。方案二：自制單片機(jī)印刷電路板自制印刷電路實(shí)現(xiàn)較為困難，實(shí)現(xiàn)周期長(zhǎng)，此外也會(huì)花費(fèi)較多的時(shí)間，影響整體設(shè)計(jì)進(jìn)程。不宜采用該方案。方案三：采用單片機(jī)最小系統(tǒng)。單片機(jī)最小系統(tǒng)包含了顯示、矩陣鍵盤(pán)、A/D、D/A等模塊，能明顯減少外圍電路的設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，非常適合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。1.2角度測(cè)量獲取模塊的論證與選擇方案一：采用加速度傳感器加速度傳感器采用模擬量輸出，需要放大電路及A/D完成角度的測(cè)量，由于在傳輸回路中模擬信號(hào)易受干擾，測(cè)量結(jié)果容易產(chǎn)生誤差，通過(guò)數(shù)字濾波等技術(shù)雖然能夠在一定程度上消除干擾造成的誤差，但是，濾波運(yùn)算增加了CPU的負(fù)荷。方案二：采用電位器作為角度傳感器自由擺系統(tǒng)的角度測(cè)量也可采用可變電阻器。精密的可變電阻器具易獲得、價(jià)格低廉、重復(fù)性高、分辨率高、高頻響應(yīng)特性好、易使用等特點(diǎn)。但是可變電阻器也是模擬信號(hào)輸出，需要A/D信號(hào)的轉(zhuǎn)換，增加系統(tǒng)復(fù)雜性，而且安裝要求較高，帶來(lái)了硬件設(shè)計(jì)的不便。方案三：采用增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器光電編碼器是一種角度（角速度）檢測(cè)裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖。旋轉(zhuǎn)編碼器具有體積小，精度高，工作可靠,接口數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)。此外旋轉(zhuǎn)編碼器安裝較為方便，接口電路較為簡(jiǎn)單，能夠減少系統(tǒng)硬件電路的工作量。綜合以上三種方案，我們選擇方案三。最終我們選擇了歐姆龍的1000線高精度旋轉(zhuǎn)編碼器E6B2C它測(cè)量精度高，分辨率達(dá)到了0.36°。1.3步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊的論證與選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路可采用配套的高性能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器ZD-6209-V2。ZD-6209-V2高性能步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器具有集成度高可靠性好抗高頻干擾強(qiáng)，并且接口采用超高速光耦隔離等特點(diǎn)。能夠?qū)φ?、半步、四?xì)分、八細(xì)分、十六細(xì)分可調(diào)；輸出電流線行可調(diào)支持脫機(jī)、使能、鎖定等功能。最終選定的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為42H系列。電機(jī)為四相步進(jìn)電機(jī)，它的步距角僅為0.9°扭矩為0.50N/m，有較高的空載啟動(dòng)頻率，在十六細(xì)分后能實(shí)現(xiàn)0.225°的步距角能夠滿足本系統(tǒng)的控制要求。2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1自由擺平板控制系統(tǒng)的分析2.1.1自由擺平板系統(tǒng)模型建立（1）建立自由擺運(yùn)動(dòng)模型，由于系統(tǒng)是由輕桿和步進(jìn)電機(jī)等組成，相較于步進(jìn)電機(jī)，輕桿質(zhì)量很小，可以近似認(rèn)為旋轉(zhuǎn)臂重心在平板附近，平板沿半徑為L(zhǎng)的弧長(zhǎng)自由擺動(dòng)。示意圖如圖二圖二自由擺模型示意圖①在最低位置時(shí)平板將達(dá)到最大速度，因此在不計(jì)空氣阻力及固定點(diǎn)摩擦力的情況下利用能量守恒定律有：，得出在θ不超過(guò)60°，l=1.0m的情況下。計(jì)算得v=2.236m/s，由角速度與線速度之間的關(guān)系，得出==2.236rad/s=128/s②自由擺周期計(jì)算根據(jù)單擺的周期計(jì)算公式；得單擺周期T=1.986ms（2）使硬幣不滑落的模型分析在自由擺在一個(gè)小角度時(shí)擺動(dòng)時(shí)，自由擺運(yùn)動(dòng)模型便是一個(gè)化為物理單擺模型。因在實(shí)際中自由擺臂質(zhì)量集中在端點(diǎn)的電機(jī)上，受力分析如圖三所示。圖三硬幣受力模型硬幣受到重力mg，板的支持力合外力方向垂直與擺臂，大小為F合。根據(jù)單擺的物理規(guī)律平板隨自由擺擺臂運(yùn)動(dòng)的加速的a方向?qū)⑹冀K垂直與擺臂，為保證平板上硬幣不會(huì)滑落平板需要保證硬幣在沿平板方向上沒(méi)有分力的作用，也就是硬幣與平板是沒(méi)有摩擦力的。也即平板對(duì)硬幣力的作用方向始終在垂直于平板方向上，當(dāng)擺角30°-45°之間時(shí)，經(jīng)過(guò)推算，硬幣會(huì)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(yuǎn)大于沿平板方向分力作用，是不會(huì)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(huì)滑落。自由臂開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)平板保持水平位置，而要保證硬幣不從平板上滑落則需要平板盡快保持與自由臂垂直，因此在放開(kāi)平板時(shí)需要讓平板帶動(dòng)硬幣盡快達(dá)到與自由臂垂直位置。2.1.2判斷正反轉(zhuǎn)原理分析角度測(cè)量模塊由高精度旋轉(zhuǎn)編碼盤(pán)構(gòu)成，編碼盤(pán)轉(zhuǎn)軸隨自由擺旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臂擺過(guò)一個(gè)角度后旋轉(zhuǎn)編碼盤(pán)將輸出一串脈沖通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)可以算出轉(zhuǎn)臂擺過(guò)的角度。旋轉(zhuǎn)編碼的輸出信號(hào)A、B時(shí)序圖如圖四所示。當(dāng)轉(zhuǎn)軸正轉(zhuǎn)時(shí)A相輸出脈沖超前B相輸出脈沖，反轉(zhuǎn)時(shí)則相反。通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)A、B相輸出脈沖的相位關(guān)系可以精確地判斷自由擺臂的正反轉(zhuǎn)。圖四旋轉(zhuǎn)編碼器判斷正反轉(zhuǎn)2.1.3自由擺旋轉(zhuǎn)角度與電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系建模與分析對(duì)于基礎(chǔ)部分，為使硬幣不從平板上滑落，需要保持平板始終垂直與自由擺臂垂直，而在初始時(shí)刻，平板保持水平，與自由擺臂夾角達(dá)到30-45°左右，為保證硬幣不滑落，需要在自由擺開(kāi)始擺動(dòng)時(shí)刻步進(jìn)電機(jī)控制平板盡快達(dá)到與自由擺臂垂直位置。而在以后的擺動(dòng)過(guò)程中，保持平板方向不變便能滿足硬幣不滑落的要求。根據(jù)上述公式，可以算出旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖數(shù)與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，幾個(gè)主要的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表一所示。右側(cè)左側(cè)編碼器脈沖數(shù)自由擺臂度數(shù)平板調(diào)整角度8細(xì)分步進(jìn)電機(jī)對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)16細(xì)分對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)編碼器脈沖數(shù)自由擺臂度數(shù)平板調(diào)整角度8細(xì)分步進(jìn)電機(jī)對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)16細(xì)分對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)000000000010.360.3606422310.360.0062962420.720.7228113620.720.0126193631.081.08652651031.080.018967510…………………8430.2438.004781693388430.240.5956152304…………………1254565.25342290580125450.917334234468…………………16760.1298.4976943887616760.121.2582320640……………17261.92102.479745591117261.921.2993393316622.2角度測(cè)量的計(jì)算2.2.1單位脈沖轉(zhuǎn)過(guò)角度計(jì)算根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的精度指標(biāo)，旋轉(zhuǎn)一周為360°，每一個(gè)脈沖為旋轉(zhuǎn)0.36°，通過(guò)獲取旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖數(shù)目n，從而得到旋轉(zhuǎn)角度值是n*0.36°。旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖式送到單片機(jī)的外部中斷口，從而記錄脈沖的數(shù)目。2.2.2編碼器可行性計(jì)算根據(jù)單擺的可能出現(xiàn)的最大角速度計(jì)算系統(tǒng)中可能的最小脈沖周期T=，其中θ為編碼器分辨率，為0.36°。計(jì)算得T=2.8ms，而采用12M晶振的單片機(jī)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)的周期僅為1μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于T，因此采用該編碼器能夠滿足系統(tǒng)要求。2.3步進(jìn)電機(jī)模塊的論證分析2.3.1步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)數(shù)與螺旋編碼盤(pán)輸出脈沖之間關(guān)系由于步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角為1.8°，旋轉(zhuǎn)編碼盤(pán)分辨率為0.36°，可以求得每一個(gè)步進(jìn)角將對(duì)應(yīng)5個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖。我們所采用的是步進(jìn)電機(jī)十六細(xì)分下的，所以最后的送給電機(jī)的單個(gè)步進(jìn)角對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)N=5*16.2.3.2步進(jìn)電機(jī)最大空載啟動(dòng)頻率分析與計(jì)算根據(jù)自由擺運(yùn)動(dòng)模型可知，平板在最低位置處角速度達(dá)到最大值，=128°/s，為保證系統(tǒng)的可靠，要求步進(jìn)電機(jī)最大啟動(dòng)速度能達(dá)到2=256°/s，由于步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角為1.8°，因此可以算出空載啟動(dòng)頻率f=2/1.8=142.3Hz，而我們選用的步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)頻率遠(yuǎn)高于該頻率，因此我們選用的步進(jìn)電機(jī)能符合系統(tǒng)要求。3電路與程序設(shè)計(jì)3.1電路的設(shè)計(jì)3.1.1系統(tǒng)總體框圖，如圖六所示。圖六系統(tǒng)總體框圖3.1.1電路原理圖見(jiàn)附錄13.2程序的設(shè)計(jì)3.2.1程序功能描述主程序根據(jù)不同的要求設(shè)定不同的控制模式，在各個(gè)模式間切換。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們把程序歸為幾個(gè)模式，由按鍵切換模式。具體分配如下：模式一對(duì)應(yīng)為基本要求一，即平板跟隨自由擺旋轉(zhuǎn)一周誤差不超過(guò)45°；模式二對(duì)應(yīng)為基本要求二和基本要求三，即保持硬幣在平板上的平衡，不讓硬幣掉落；模式三對(duì)應(yīng)發(fā)揮部分一和發(fā)揮部分二，對(duì)激光筆入射位置的調(diào)整以及保持激光筆入射位置的固定與平衡；3.2.2具體的程序分析設(shè)計(jì)（1）主程序分析設(shè)計(jì)主程序流程圖如圖五所示，主程序由兩個(gè)按鍵控制三個(gè)模式的選擇。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，S1按下選擇模式一，S2按下選擇模式二；若S1和S2都未按下，那么執(zhí)行模式三。圖七主程序流程圖（2）模式一的分析論證模式一程序流程圖，如圖八所示。圖八模式一程序流程圖因?yàn)樽杂蓴[的周期是固定的，我們計(jì)算為2s一個(gè)周期，所以需要控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)在2s內(nèi)旋轉(zhuǎn)360。采用定時(shí)器定時(shí)，在十六細(xì)分下，發(fā)每個(gè)脈沖的周期為625us。定時(shí)器定時(shí)即為625us。3200脈沖電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，此時(shí)，每旋轉(zhuǎn)一周，記錄旋轉(zhuǎn)周數(shù)的變量加一，到五周后，程序執(zhí)行結(jié)束。（3）模式二的角度測(cè)量中斷服務(wù)判斷程序的分析論證模式二的角度測(cè)量中斷服務(wù)判斷程序，如圖九所示。進(jìn)入中斷程序后，我們需要確定的是左右側(cè)的方向標(biāo)志。設(shè)定兩個(gè)定時(shí)器分別為T(mén)1和T2。T1為左側(cè)的計(jì)數(shù)器，T2為右側(cè)的計(jì)數(shù)器。判斷當(dāng)T2大于零而且T1等于零時(shí)，表明平板往右擺，置右擺標(biāo)志位為一。判斷當(dāng)T1大于零而且T2等于零時(shí)，表明平板往左擺，置左擺標(biāo)志位為一。對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器加一后，開(kāi)始查表，找到對(duì)應(yīng)的電機(jī)脈沖數(shù)，送給電機(jī)，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖八模式二角度測(cè)量中斷服務(wù)程序流程圖（4）模式二程序分析與設(shè)計(jì)選擇模式二后，擺桿緩慢拉到一定的角度，同時(shí)單片機(jī)獲得旋轉(zhuǎn)編碼器所送來(lái)的脈沖并記錄下來(lái)，拉到一定角度后擺桿停止，此時(shí)，單片機(jī)就獲得了最后的角度值。按鍵開(kāi)始后，單片機(jī)根據(jù)獲取的角度值，換算為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖數(shù)，發(fā)給電機(jī)，電機(jī)立即開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，保持平板對(duì)擺桿的垂直。最后，電機(jī)鎖定，避免電機(jī)的抖動(dòng)。此時(shí)程序執(zhí)行結(jié)束。模式二的程序流程圖，如圖九。圖九模式二程序流程圖3.2.3部分源程序見(jiàn)附錄24測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試方案（1）硬件測(cè)試采用數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)電路板連接情況測(cè)試。(2）軟件仿真測(cè)試通過(guò)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生周期方波，單片機(jī)最小系統(tǒng)對(duì)方波信號(hào)計(jì)數(shù)并顯示脈沖數(shù)。通過(guò)比較顯示信息與數(shù)字示波器顯示頻率比較。（3）系統(tǒng)誤差測(cè)試系統(tǒng)誤差按照系統(tǒng)要求分別測(cè)試在一個(gè)周期內(nèi)平板旋轉(zhuǎn)角度、當(dāng)放一枚硬幣時(shí)自由擺在30°和45°起始位置擺動(dòng)時(shí)，硬幣擺動(dòng)一周初始位置偏離的距離及自由擺在45°和60°起始位置擺動(dòng)時(shí)，八枚硬幣滑落平板的個(gè)數(shù)。發(fā)揮部分分別測(cè)量角度在30°-60°之間各角度下，激光筆光線偏離中心線的距離。4.2測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無(wú)誤，硬件電路保證無(wú)虛焊。單片機(jī)顯示脈沖數(shù)與信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生相同時(shí)間顯示脈沖數(shù)相符。測(cè)試儀器：量角器、米尺、數(shù)字萬(wàn)用表（DT9205）、游標(biāo)卡尺，鉛垂。4.3測(cè)試結(jié)果及分析（1）多次測(cè)量在一個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)平板轉(zhuǎn)動(dòng)角度測(cè)試方法：在最低點(diǎn)處保持平板水平，將擺桿拉至最高點(diǎn)，啟動(dòng)電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)8圈后停止，同時(shí)讓單擺自由擺動(dòng)8個(gè)周期后到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)停止，用量角器測(cè)出平板偏離水平的角度。測(cè)量次數(shù)12345678平板偏離水平的角度52°63°49°54°51°59°58°64°平均誤差6.5°7.9°6.1°6.8°6.6°7.2°7.2°8.0°誤差分析：該測(cè)試方法通過(guò)多次測(cè)量求均值降低了測(cè)試時(shí)的系統(tǒng)誤差，較為準(zhǔn)確的測(cè)試出了實(shí)驗(yàn)的誤差。（2）1枚硬幣滑離中心位置的距離(cm)測(cè)試方法：將擺桿推至一個(gè)角度（30°-45°），在水平的平板上放置1枚硬幣，并在白紙上標(biāo)記其輪廓，啟動(dòng)系統(tǒng)后，觀測(cè)硬幣滑動(dòng)的距離。（1）在一個(gè)周期內(nèi)平板旋轉(zhuǎn)角度誤差基本在15°以下，完全能滿足設(shè)計(jì)要求。（2）在擺動(dòng)一個(gè)角度硬幣偏離中心位置的距離30°時(shí)誤差基本保持在5%以內(nèi)，在45°時(shí)偏離中心位置距離變大，但是也都能滿足設(shè)計(jì)要求。（（4）在30°到60°之間均勻取角度測(cè)量激光筆光線與中心線的距離。測(cè)量結(jié)果偏距均在要求2cm內(nèi)。綜上所述，本設(shè)計(jì)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。5.總結(jié)此次基于自由擺的平板控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以單片機(jī)為控制核心，采用1000線增量型旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)時(shí)采集自由擺旋轉(zhuǎn)角度及方向信息，并通過(guò)步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制平板旋轉(zhuǎn)角度，以實(shí)現(xiàn)控制要求。達(dá)到了在一個(gè)周期里電機(jī)精確旋轉(zhuǎn)一周；平板角度調(diào)整速度快，8枚硬幣滑動(dòng)小無(wú)跌落；實(shí)時(shí)控制激光筆保持靜態(tài)水平誤差在1cm以內(nèi)；動(dòng)態(tài)控制誤差在2cm以內(nèi)的實(shí)驗(yàn)效果。總結(jié)該設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，具有以下三個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：首先，采用1000線增量型光電旋轉(zhuǎn)編碼器，輸出信號(hào)A、B為高低電平的數(shù)字脈沖信號(hào)，可直接與單片機(jī)管腳相連，無(wú)需額外附加驅(qū)動(dòng)電路，精簡(jiǎn)了整體硬件電路設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)中可根據(jù)光電旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖觸發(fā)單片機(jī)外部中斷的快慢，判斷擺桿的旋轉(zhuǎn)速度，根據(jù)光電旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖的多少，判斷擺桿的旋轉(zhuǎn)角度，根據(jù)光電旋轉(zhuǎn)編碼器輸出信號(hào)A、B的相位關(guān)系，判斷擺桿的旋轉(zhuǎn)方向。因而該設(shè)計(jì)方案具有角度值精確度高，旋轉(zhuǎn)方向判別穩(wěn)定可靠，硬件電路接口簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。其次，采用高性能步進(jìn)電機(jī)及配套的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該步進(jìn)電機(jī)最小步進(jìn)角為1.8度，且可對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行四細(xì)分、八細(xì)分、十六細(xì)分可調(diào)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的微小精確控制。此外，該步進(jìn)電機(jī)具有較短的響應(yīng)時(shí)間，經(jīng)理論計(jì)算可完全滿足平板保持動(dòng)態(tài)水平的實(shí)時(shí)性要求。再者，該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有脫機(jī)功能，可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的鎖定，從而使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到指定角度后能夠穩(wěn)定保持在這一位置，增強(qiáng)了控制的穩(wěn)定性。最后，該步進(jìn)電機(jī)具有較大的帶負(fù)載能力，保障了在帶動(dòng)平板轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中穩(wěn)定而可靠。再次，在該設(shè)計(jì)的程序編寫(xiě)方面，用光電旋轉(zhuǎn)編碼器輸出信號(hào)產(chǎn)生脈沖數(shù)，直接計(jì)算出擺桿的角度，再由擺桿角度計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，再由步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)數(shù)，人為的算出光電旋轉(zhuǎn)編碼器輸出信號(hào)脈沖數(shù)與步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系后，建立起兩者的關(guān)系數(shù)組，單片機(jī)直接查表即可輸出對(duì)步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)數(shù)控制量，極大的減少了單片機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的三角函數(shù)運(yùn)算的時(shí)間，且有效的降低了單片機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的三角函數(shù)運(yùn)算的舍入誤差，提高了實(shí)驗(yàn)的精度。以上三方面的優(yōu)點(diǎn)是該設(shè)計(jì)方案得以取得良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有力保障。同時(shí)，該設(shè)計(jì)方案也存在不足和有待完善之處。如查表法雖提高了運(yùn)算速度和實(shí)驗(yàn)精度，但在程序修改上比較麻煩和不便。參考文獻(xiàn)[1]全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì).全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選編[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2007.[2]劉寶延.步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1972.[3]周航慈.單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1991.[4]郁有文.傳感器原理及工程應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.[5]吳建平.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.[6]宋戈.51單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)范例大全[M].北京：人民郵電出版社，2010.[7]唐繼賢.51單片機(jī)工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

附錄1：電路原理圖顯示模塊電路圖

附錄2：部分源程序（1）判斷正反轉(zhuǎn)程序/************************判斷正反轉(zhuǎn)程序***************************/voidint0_fun()interrupt0{if(e6b2c_b==1) //若為右擺{ int0_flag_l=0; //左擺計(jì)數(shù)值清零int0_flag_r++; //右擺計(jì)數(shù)flag_r==1;flag_l==0;}if(e6b2c_b==0) //若為左擺{int0_flag_r=0; //右擺計(jì)數(shù)值清零int0_flag_l++; //左擺計(jì)數(shù)flag_r==0;flag_