基于自由擺的平板控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

PAGEPAGE2設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告基于自由擺的平板控制系統(tǒng)（日期）摘要摘要摘要：本自由擺的平板控制系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控系統(tǒng)，L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，STC12C5A60S2單片機(jī)通過L298N驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)PK545-NAC-C29步進(jìn)機(jī)，使步進(jìn)機(jī)上的平板隨著擺桿的擺動(dòng)而旋轉(zhuǎn)。硬件部分主要包括STC12C5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)，L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，N1000060傾角傳感器，電源模塊等。本設(shè)計(jì)主要運(yùn)用STC12C5A60S2單片機(jī)控制4相6線步進(jìn)電機(jī)，由單片機(jī)產(chǎn)生脈沖信號(hào)精確控制步進(jìn)機(jī)的轉(zhuǎn)速和角度，使步進(jìn)電機(jī)上的平板能夠隨著擺桿擺動(dòng)而保持水平平衡。關(guān)鍵詞：STC單片機(jī)；L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片；傳感器 目錄PAGEi目錄摘要 1目錄 i1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 11.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 11.2 設(shè)計(jì)要求 12 方案比較與論證 22.1 主控器的選擇與論證 22.2 電機(jī)的選擇與論證 22.3 驅(qū)動(dòng)模塊的選擇與論證 33 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 33.1 總體電路框圖 33.2 單元電路設(shè)計(jì) 43.3 整體電路圖 74 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 74.1 總體軟件框圖 74.2 各模塊軟件設(shè)計(jì) 84.3 總程序 105 系統(tǒng)調(diào)試與測試 105.1 測試儀器 105.2 測試指標(biāo) 105.3 測試結(jié)果分析 116 設(shè)計(jì)總結(jié) 11參考文獻(xiàn) 11附錄 12附錄A：電路圖 12附錄B：電路板圖 13附錄C：元器件清單 13附錄D：總程序 14正文PAGE28設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)任務(wù)1、設(shè)計(jì)并制作一個(gè)自由擺上的平板系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。擺桿的一端通過轉(zhuǎn)軸固定在一支架上，另一端固定安裝一臺(tái)電機(jī)，平板固在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上；當(dāng)擺桿如圖1-2所示擺動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以控制平板轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖1-1 圖1-2設(shè)計(jì)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（360o），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θ（θ在30o～45o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)后放開擺桿讓其自由擺動(dòng)。在擺桿擺動(dòng)過程中，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θ（θ在45o～60o間），調(diào)整平板角度，在平板中心穩(wěn)定疊放8枚1元硬幣，見圖1-2；啟動(dòng)后放開擺桿讓其自由擺動(dòng)。在擺桿擺動(dòng)過程中，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。方案比較與論證主控器的選擇與論證方案一：采用STC12C5A60S2方案二：采用STC89C52方案三：采用AT89C52方案論證：方案一，STC12C5A60S2芯片價(jià)格便宜，應(yīng)用范圍廣，功能強(qiáng)大，高速運(yùn)轉(zhuǎn)，低功耗，強(qiáng)抗靜電，強(qiáng)抗干擾，內(nèi)部集成雙串口、8路10bitADC和兩路八位PWM；方案二，STC89C52芯片價(jià)格便宜，應(yīng)用范圍廣，運(yùn)轉(zhuǎn)速度慢，抗靜電抗干擾弱，內(nèi)部無ADC；方案三，AT89C52芯片價(jià)格便宜，應(yīng)用范圍廣，運(yùn)轉(zhuǎn)速度慢，抗靜電抗干擾弱，內(nèi)部無ADC。鑒于設(shè)計(jì)要求，故采用方案一。電機(jī)的選擇與論證方案一：采用步進(jìn)電機(jī)方案二：采用直流電機(jī)方案三：舵機(jī)方案論證：方案一，步進(jìn)電機(jī)價(jià)格便宜，容易控制，旋轉(zhuǎn)角度于脈沖成正比，每步的旋轉(zhuǎn)角度精確度高，不會(huì)將一步的誤差積累到下一步，且具有優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；方案二，直流電機(jī)價(jià)格低，調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)，過載、起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，難于控制轉(zhuǎn)軸的角度和轉(zhuǎn)速；方案三，舵機(jī)價(jià)格偏高，性能易受電壓影響，控制旋轉(zhuǎn)的角度精確度不高。鑒于設(shè)計(jì)要求，故采用方案一。驅(qū)動(dòng)模塊的選擇與論證方案一：采用L298N芯片方案二：采用ULN2803芯片方案三：采用三極管方案論證：方案一，L298N芯片價(jià)格便宜，電路設(shè)計(jì)簡單，驅(qū)動(dòng)電流大，足以驅(qū)動(dòng)大功率的步進(jìn)電機(jī)；方案二，ULN2803芯片價(jià)格便宜，電路設(shè)計(jì)簡單，驅(qū)動(dòng)電流小，不能驅(qū)動(dòng)大功率的步進(jìn)電機(jī)；方案三，三極管價(jià)格便宜，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，不穩(wěn)定，出問題難于查詢。本設(shè)計(jì)采用PK545-NAC-C29步進(jìn)電機(jī)，故采用方案一。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總體電路框圖為了使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜的控制功能，本設(shè)計(jì)采用一種功能強(qiáng)大的、高速低功耗性價(jià)比高的單片機(jī)STC12C5A60S2完成對(duì)其他部分控制。本設(shè)計(jì)采用N1000060傾角傳感器對(duì)擺桿的傾斜角度的采集數(shù)據(jù)，通過STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)送給單片機(jī)，單片機(jī)通過數(shù)據(jù)分析控制L298N驅(qū)動(dòng)電路，使步進(jìn)機(jī)旋轉(zhuǎn)保持平板的水平平衡，用1602液晶顯示A/D的數(shù)據(jù)?？傮w框圖如圖3-1所示。電源電源單片機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊步進(jìn)機(jī)液晶顯示傳感器AD模塊圖3-1總體框圖單元電路設(shè)計(jì)STC12C5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)STC12C5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)P1^1口、P1^2口、P1^3、P1^4口接L298驅(qū)動(dòng)電流的輸入口，單片機(jī)通過對(duì)L298N的控制，使L298發(fā)出脈沖控制步進(jìn)機(jī)；P2^3口、P2^4口、P2^5口接1602液晶，控制液晶顯示A/D采集N1000060傾角傳感器的數(shù)據(jù)，A/D轉(zhuǎn)換是用STC12C5A60S2內(nèi)部自帶的A/D。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3-2、3-3所示。圖3-2最小系統(tǒng)圖3-3串口部分2、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)L298N是一種二相四相步電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)含兩個(gè)H-Bridge的高電壓、大電流雙橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)；OUT1、OUT2、OUT3、OUT4之間分別接兩個(gè)步進(jìn)機(jī)；INPUT1、INPUT2、INPUT3、INPUT4接單片機(jī)I/O，接收輸入控制電位來控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。L298N驅(qū)動(dòng)電路如圖3-4所示。圖3-4L298N驅(qū)動(dòng)3、供電電源供電電源采用集成穩(wěn)壓器7805，電路圖中，穩(wěn)壓器7805輸入端的電容為輸入端濾波電容，輸出端的電容為輸出端濾波電容；家用電220V經(jīng)過變壓器接入供電電源模塊，能輸出直流電壓-12V、-5V、5V、12V。供電電源如圖3-5所示。圖3-5供電電源整體電路圖見附錄A系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體軟件框圖1、總體軟件框圖如圖4-1所示。初始化初始化讀傾角傳感器電壓A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)處理讀到的A/D數(shù)據(jù)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平板是否水平否結(jié)束是圖4-1總體軟件框圖各模塊軟件設(shè)計(jì)1、步進(jìn)電機(jī)右轉(zhuǎn)函數(shù)voidl_turn(uinti)//步進(jìn)電機(jī)右轉(zhuǎn)函數(shù){ AA; delay_ms(i); AB; delay_ms(i); BB; delay_ms(i); BC; delay_ms(i); CC; delay_ms(i); CD; delay_ms(i); DD; delay_ms(i); DA; delay_ms(i);}2、步進(jìn)電機(jī)左轉(zhuǎn)函數(shù)voidr_turn(uinti)//步進(jìn)電機(jī)左轉(zhuǎn)函數(shù){ DA; delay_ms(i); DD; delay_ms(i); CD; delay_ms(i); CC; delay_ms(i); BC; delay_ms(i); BB; delay_ms(i); AB; delay_ms(i); AA; delay_ms(i);}3、STC12C5A60S2內(nèi)部ADBYTEget_ad0() //AD讀取傳感器1的值{ ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ch0|ADC_START; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG)); returnADC_RES;}BYTEget_ad5() //AD讀取傳感器2的值{ ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ch5|ADC_START; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG)); returnADC_RES;}總程序見附錄D系統(tǒng)調(diào)試與測試測試儀器數(shù)字萬用表量角器測試指標(biāo)當(dāng)N100060傾角傳感器與水平方向有角度時(shí)，N100060傾角傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)一壓，STC12C5A60S2單片機(jī)通過內(nèi)部自帶AD轉(zhuǎn)換采集N100060反饋的電壓值。每個(gè)電壓值對(duì)應(yīng)一個(gè)角度，通過量角器測出角度，列出表格。如表格5-1所示。表5-1角度-90-60-45-30030456090AD值102.4239.0307.2377.5512648.6716.8784.9921.6傾角傳感器0.5V1.167V1.5V1.843V2.5V3.167V3.5V3.833V4.5V測試結(jié)果分析從表格5-1可得：傾角傳感器與水平方向平行時(shí)，輸出電壓是2.5V；向左右與水平方向傾斜90度時(shí)，其電壓的變化量為2V。由此可得（誤差允許范圍內(nèi)）傾角傳感器與水平方向的角度a與傾角傳感器的電壓變化量v的數(shù)學(xué)關(guān)系為：v=a(1/45)本設(shè)計(jì)采用4相5線PK545-NAC-C29步進(jìn)電機(jī)，4相8拍運(yùn)行方式A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。 本設(shè)計(jì)把N100060傾角傳感器固定在步進(jìn)電機(jī)上，與水平方向平行，當(dāng)擺桿有一個(gè)角度時(shí)，STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部自帶AD讀取N1000060傾角傳感器電壓值，就能精確控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，使步進(jìn)電機(jī)上的平板保持平衡。如：當(dāng)STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部自帶AD讀取N1000060傾角傳感器電壓值為3.5V時(shí)，其N1000060傾角傳感器電壓變化量為v=1V，通過上式計(jì)算得N100060傾角傳感器與水平方向的角度a為45度，從而就能控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)45度，使步進(jìn)電機(jī)上的平板保持平衡。設(shè)計(jì)總結(jié)經(jīng)過四天三夜的辛勤努力，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了題目的全部要求。但由于時(shí)間緊，任務(wù)重，系統(tǒng)還存在許多可以改進(jìn)的地方，比如電路布局、抗干擾性等方面還有很大的提升空間，經(jīng)過改進(jìn)，相信性能還會(huì)有進(jìn)一步的提升。在軟件編程方面，成功的通過軟件編程消除了步進(jìn)電機(jī)的抖動(dòng)問題，采用的方法是：通過A/D轉(zhuǎn)換采集傾角傳感器的數(shù)據(jù)，10個(gè)數(shù)據(jù)一組，然后取平均值。本次競賽極大的鍛煉了我們各方面的能力，雖然我們遇到了很多困難和障礙，但總體上成功與挫折交替，困難與希望并存，我們將繼續(xù)努力爭取更大的進(jìn)步。參考文獻(xiàn)毛禮銳，沈灌群.中國教育通史［M］.濟(jì)南：山東教育出版社，1988.20-22.王英杰，高益民.高等教育的國際化［J］.清華大學(xué)教育研究，2000（2）：13-16.中華人民共和國國務(wù)院.計(jì)算機(jī)軟件保護(hù)條例［J/0L］.東方網(wǎng),2001.12.28附錄附錄A：電路圖 附錄A-1附錄A-2附錄B：電路板圖附錄B-1附錄C：元器件清單電阻6個(gè)瓷片電容12個(gè)電解電容4個(gè)鍵盤6個(gè)單片機(jī)1個(gè)開關(guān)2個(gè)L298N1個(gè)穩(wěn)壓78051個(gè)穩(wěn)壓78121個(gè)N10000602個(gè)步進(jìn)電機(jī)1個(gè)MS2321個(gè)串口1個(gè)電位器1個(gè)整流橋1個(gè)變壓器1個(gè)發(fā)光二極管4個(gè)二極管8個(gè)附錄D：總程序#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchartypedefunsignedcharBYTE;typedefunsignedintWORD;sfrADC_CONTR=0xBC;sfrADC_RES=0xBD;sfrADC_RESL=0xBE;sfrADC_LOW2=0xBE;sfrP1ASF=0x9D;#defineADC_POWER0x80#define ADC_FLAG0x10#define ADC_START0x08#define ADC_SPEEDLL0x00#define ADC_SPEEDL0x20#define ADC_SPEEDH0x40#define ADC_SPEEDHH0x60sbiten=P2^5;//使能sbitrs=P2^3;//數(shù)據(jù)命令sbitrw=P2^4;//讀寫//定義步進(jìn)電機(jī)連接端口sbitA1=P1^1;//轉(zhuǎn)三周sbitB1=P1^2;//轉(zhuǎn)四周sbitC1=P1^3;//轉(zhuǎn)五周sbitD1=P1^4;//來回?cái)[動(dòng)//定義要用到按鍵的管腳sbitk1=P3^4;sbitk2=P3^5;sbitk3=P3^6;sbitk4=P3^7;//定義全局變量uintsu=20;//8最大uintj=0;uintjian_zhi=0;uinttemp1=0;ucharshu[]={'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','-',':',''};uinti=6;uintchong1=0;uintsu1=20;//8最大uintsu2=20;uintm=0;uintad=0;uintad0=0;uintj1=0;uintj2=0;uintad5=0;BYTEch0=0; //模擬通道選擇BYTEch5=5;uinter_flag=0;//使用1-2相驅(qū)動(dòng)#defineAA{A1=1;B1=0;C1=0;D1=0;}#defineBB{A1=0;B1=1;C1=0;D1=0;}#defineCC{A1=0;B1=0;C1=1;D1=0;}#defineDD{A1=0;B1=0;C1=0;D1=1;}#defineAB{A1=1;B1=1;C1=0;D1=0;}#defineBC{A1=0;B1=1;C1=1;D1=0;}#defineCD{A1=0;B1=0;C1=1;D1=1;}#defineDA{A1=1;B1=0;C1=0;D1=1;}//函數(shù)聲明voiddelay_ms(uintx);voidr_turn(uinti);voidl_turn(uinti);voiddelay(WORDn){ WORDx; while(n--) { x=110; while(x--); }}voiddelay_ms(uintx)//延時(shí)函數(shù){ uinty,z; for(y=x;y>0;y--) for(z=130;z>0;z--);}voidl_turn(uinti)//步進(jìn)電機(jī)右轉(zhuǎn)函數(shù){ AA; delay_ms(i); AB; delay_ms(i); BB; delay_ms(i); BC; delay_ms(i); CC; delay_ms(i); CD; delay_ms(i); DD; delay_ms(i); DA; delay_ms(i);}voidr_turn(uinti)//步進(jìn)電機(jī)左轉(zhuǎn)函數(shù){ DA; delay_ms(i); DD; delay_ms(i); CD; delay_ms(i); CC; delay_ms(i); BC; delay_ms(i); BB; delay_ms(i); AB; delay_ms(i); AA; delay_ms(i);}voidl_dan(){ switch(m) { case0:AA;m++;break; case1:AB;m++;break; case2:BB;m++;break; case3:BC;m++;break; case4:CC;m++;break; case5:CD;m++;break; case6:DD;m++;break; case7:DA;m++;break; case8:m=0;break; default:break; }}voidr_dan(){ switch(m) { case0:DA;m++;break; case1:DD;m++;break; case2:CD;m++;break; case3:CC;m++;break; case4:BC;m++;break; case5:BB;m++;break; case6:AB;m++;break; case7:AA;m++;break; case8:m=0;break; default:break; }}voidting_zhi(){ A1=0; B1=0; C1=0; D1=0;}//LCD1602初始化voidwrite_com(ucharcom){ rs=0; P0=com; delay(1); en=1; delay(1); en=0;}voidwrite_data(uchardatae){ rs=1; P0=datae; delay(5); en=1; delay(5); en=0;}voiddisplay_shu(ucharhang,ucharadd,ucharnum)//在1602顯示數(shù)據(jù)的函數(shù)，hang為第幾行，add為位置，num為數(shù)據(jù){ ucharshi; shi=num; if(hang==1) { write_com(0x80+add); write_data(0x30+shi); } if(hang==2) { write_com(0x80+0x40+add); write_data(0x30+num); }}voidinit_LCD()//初始化ＬＣＤ{ en=0; rw=0; write_com(0x38);//顯示模式控制 write_com(0x0c);//顯示開關(guān)及光標(biāo)控制 write_com(0x06);//數(shù)據(jù)指針設(shè)置 write_com(0x01);//清零 write_com(0x80);}voidInitADC(){ P1ASF=0x21; //輸入通道選擇與CH相配合使用,選擇P1^2 ADC_RES=0; //轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)所在，高八位 ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL; //內(nèi)部AD主要的控制寄存器ADC_CONTR,選擇P1^2; delay(100);}BYTEget_ad0() //AD讀取傳感器1的值{ ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ch0|ADC_START; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG)); returnADC_RES;}BYTEget_ad5() //AD讀取傳感器2的值{ ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ch5|ADC_START; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG)); returnADC_RES;}voidkeyscan(){ if(k1==0) { delay(5); if(k1==0) { while(!k1); display_shu(1,1,1); su=32; j=150; while(j--) r_turn(su);//8最快 su=0; } } if(k2==0) { delay(5); if(k2==0) { while(!k2); display_shu(1,1,2); su=32; j=200; while(j--) l_turn(su);//8最