全國大學生電子競賽設計與總結報告-基于自由擺的平板控制系統(tǒng).doc

2011年全國大學生電子競賽設計與總結報告編 號： b甲03105 題 目：_ 基于自由擺的平板控制系統(tǒng) _學 校： 棗莊學院_ _ 學生姓名： _ 2011年9月3日目錄摘要- 3 -一、方案論證與比較- 4 -1.1 系統(tǒng)設計與結構框圖- 4 -1.2 方案論證- 4 -1.2.1 電源方案論證與比較- 4 -1.2.2 控制系統(tǒng)- 4 -1.2.3 電機驅動的方案論證與比較- 5 -1.2.4 傾角傳感器的選取- 5 -二、理論分析與參數(shù)計算- 5 -2.1 增量式pid控制步進電機- 5 -三、系統(tǒng)硬件設計- 6 -3.1 電源電路- 6 -3.2 步進電機驅動電路- 6 -3.3 傾角傳感器電路- 6 -3.4 單片機系統(tǒng)電路- 6 -3.5 led模組電路- 7 -3.6 液晶顯示電路- 7 -3.7 1*4鍵盤模組電路- 7 -四、程序流程圖- 7 -模式一- 7 -模式二- 7 -模式三- 7 -五、單元測試數(shù)據與結果分析- 8 -5.1 測試方法- 8 -5.2 測試數(shù)據以及數(shù)據圖- 8 -5.3 測試結果分析- 9 -六、系統(tǒng)功能測試- 7 -6.1 基本功能測試- 7 -6.2 發(fā)揮部分測試- 8 -七、 總結與結論- 9 -參考文獻- 9 -附錄- 9 -附1：原器件清單- 9 -附2：系統(tǒng)使用說明- 10 -附3：部分源程序- 10 -附4: 電路原理圖- 12 -摘要 本設計以spce061a單片機作為主控制器，結合數(shù)據采集、傾角傳感器、電機驅動、led燈、液晶顯示以及鍵盤等模塊共同實現(xiàn)了自由擺的平板控制功能。軟件部分使用c語言編寫，實現(xiàn)了對平板的轉動角度的控制。自由擺的運動為連續(xù)的過程，所以控制采用了積分分離增量式pid控制算法。整個系統(tǒng)模塊化程度好、集成度高，充分發(fā)揮了單片機靈活、實用、控制準確的特點，并且具有有友好的人機交互界面。系統(tǒng)不僅完全實現(xiàn)了題目的基本要求，而且部分完成了題目發(fā)揮部分的要求。關鍵字：spce061a；平板控制系統(tǒng)；c語言；靈活；準確abstract the design spce061a microcontroller as the master controller, combined with the data acquisition , tilt sensor , the motor drive , led , lcd display and keyboard module is put together to achieve a free flat-panel control. software components written in c using the single-chip, to achieve the rotation angle of the control panel .because the free movement of swing control of a continuous process, so the integral control law with a separate incremental pid control algorithm .the whole system is a good degree of modularity, high integration, give full play to the microcontroller flexible, practical, precise control features, and has a friendly interactive interface .system not only required to complete all basic part of the subject, but also completed the requirements to play a part.keywords: spce061a; flat control system; c language; flexible; accurate一、方案論證與比較 1.1 系統(tǒng)設計與結構框圖根據題目要求本系統(tǒng)設計的模塊主要分為數(shù)據采集模塊、控制模塊以及電機驅動模塊。系統(tǒng)的總體結構框圖如下圖1.1.1：傳感器 splc061a單片機 模擬量輸入通道測控對象液晶、鍵盤電機模擬量輸出通道 傳感器 圖1.1.1：系統(tǒng)結構圖 1.2 方案論證 1.2.1 電源方案論證與比較 方案一：采用1.5伏干電池。體積小，重量輕，使用靈活方便。但是不滿足長時間的持續(xù)供電的要求。 方案二：采用直流穩(wěn)壓電源。輸出精度高，032v可調，調節(jié)范圍大，使用簡單，但是體積重量較大，不方便攜帶。方案三：采用自制5v/12v直流穩(wěn)壓電源。能夠使各模塊單獨供電，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，而且它具有體積小，重量輕，攜帶方便的特點。經過仔細分析比較后，我們選擇方案三。 1.2.2 控制系統(tǒng)方案一：采用通用的51單片機作為主控制器。51單片機通用靈活、價格低廉、使用方便，但此單片機功耗較高，數(shù)據處理能力很弱，處理速度比較慢，資源不夠豐富，需要擴展較多的外圍電路，降低了系統(tǒng)的可靠性，增加了制作的難度，難以滿足本設計要求。方案二：采用spce061a單片機作為主控制器。61單片機算術功能強，軟件編程簡潔靈活、自由度大 ，可用軟件編程實現(xiàn)各種邏輯控制功能，且其功耗低、技術成熟，成本低廉。本系統(tǒng)主要是進行反饋信號的處理以及驅動電機的控制。因此我們選擇方案二。 1.2.3 電機驅動的方案論證與比較 方案一：使用普通直流電機。其控制簡單，利用雙極性pwm即可實現(xiàn)調速和正、反轉。但該類電機的制動能力較差，需要閉環(huán)控制速度，安裝調試復雜。方案二：選擇步進電機，步進電機是一種將電脈沖信號轉化成相應的角位移或線位移的機電組件它的轉角及轉速分別取決于脈沖信號的數(shù)量和頻率，且只有周期性的誤差，因此可達到很高的控制精度，同時，步進電機還具有快速啟動和停止的能力，輸出力矩大、控制難度較小等優(yōu)點。綜合考慮我們選擇方案二。 1.2.4 傾角傳感器的選取用于測量和控制的傳感器種類很多，本系統(tǒng)主要目標是保持平板工作臺的平衡性，所以采用的傳感器是傾角傳感器。傾角傳感器是一種通過把傳感器相對于基準面的傾角(或傾角變化)轉換為與之相對應的電信號輸出，從而求出對應的傾角值的裝置?，F(xiàn)有的傾角傳感器分為三類，即重力加速度的擺式傾角傳感器，利用角速度積分的傾角傳感器和由多個傳感器組合而成的復合式傾角傳感器。綜合考慮我們選擇用角速度積分的傾角傳感器。二、理論分析與參數(shù)計算 2.1 增量式pid控制步進電機系統(tǒng)采用增量式pid控制算法，雖然只是原來算法上的一點改進卻帶來了很多優(yōu)點：由于由計算機輸出增量，所以誤動作時影響小，必要時可以用邏輯判斷的方法去掉；由于只輸出本次的增量，與初始位置無關，因而有利于實現(xiàn)手動到自動的無擾動切換；算式中不需要累加不會引起累計誤差。通過pwm脈沖對步進電機進行調速示意圖如圖2.1.1所示：pid算法步進電機 平衡板 r + e u u - 圖2.1.1：增量pid控制步進電機簡化示意圖根據香農采樣定理ts/max選取采樣周期ts，其中max為被采樣信號的上限角頻率，由增量式pid算法公式：u(k)=kpe(k)-e(k-1)+tse(k)/t1+td/tse(k)-2e(k-1)+e(k-2)可知只需儲存最近三個誤差采樣值e(k)、e(k-1)、e(k-2)就足夠完成對步進電機的控制了。其中kp為比列放大系數(shù)，t1為積分時間常數(shù)，td微分時間常數(shù)， 為積分放大系數(shù)， 為微分放大系數(shù)。三、系統(tǒng)硬件設計 根據題目要求自由擺平衡控制系統(tǒng)主要有電源、驅動電機、傾角傳感器、led燈、液晶顯示屏和控制器模塊等構成。 3.1 電源電路 步進電機驅動電源為+12v穩(wěn)壓源，其電路圖見附錄4圖3.1.1所示。單片機控制電路為+5v穩(wěn)壓源，其電路圖見附錄4圖3.1.2所示。 3.2 步進電機驅動電路 步進電機驅動電路原理圖（見附錄4圖3.2.1）所示：4路控制信號經光耦隔離后輸入42bygh4417，設計通過跳線帽可將im1和im2引腳接地，以便選擇激勵方式，因本系統(tǒng)采用1/8細分激勵，故不將這兩腳接地；42bygh4417還可控制電機正轉或反轉，且能通過不能超過5khz時鐘輸入信號控制電機的運轉速度；nfa和nfb引腳信號控制步進電機輸入電流，電流大小為：i0vref/rnf，其中rnf為nf端外接電阻，系統(tǒng)使用0.5、2w的大功率電阻；ea為片選引腳，低電平有效， rst為復位引腳，高電平有效，d1d8為快速恢復二極管，用于泄放繞組電流。 3.3 傾角傳感器電路 傳感器部分，在正常工作下，傳感器將測到的傾角轉換為占空比不同的頻率輸出。電路原理圖（見附錄4圖3.3.1）所示：mcu接口電路(圖見附錄4圖3.3.2)所示：j1與mcu的接口部分可以方便的與spce061a連接。 3.4 單片機系統(tǒng)電路 spce061a 單片機最小系統(tǒng)圖見附錄4圖3.4.1： 3.5 led模組電路 當指令完成時以led亮燈指示。led電路原理圖見附錄4圖3.5.1： 3.6 液晶顯示電路液晶顯示屏實時的顯示提示信息及自由擺與基準軸的夾角。液晶顯示電路圖見附錄4圖3.6.1： 3.7 1*4鍵盤模組電路 1*4鍵盤作為人機接口可以更方便的控制系統(tǒng)功能的開啟，操作者可以通過按鍵來選擇想要實現(xiàn)的功能。其電路原理圖見附錄4圖3.7.1四、程序流程圖 模式一：完成基本要求一五周期自由擺，偏差絕對值小于45度。 模式二：完成基本要求二和三里一枚/八枚硬幣自由擺3-5周期內不掉落。 模式三：完成發(fā)揮部分激光筆照射中心位置，完成后led亮燈指示。 程序流程圖以及各模式的流程圖見附錄4圖4.1.1 及4.1.2五、測試數(shù)據與結果分析 5.1 測試方法 方法： 采用各個模塊先單獨進行測試，測試通過以后各個部分組合成一個系統(tǒng)然后對整個系統(tǒng)進行整體測試。首先將各個部分單獨輸入程序進行測試測試通過，組合成系統(tǒng)后輸入調試好的程序進行調試。 5.2 測試數(shù)據以及數(shù)據圖 數(shù)據分析圖見附錄4圖5.2.1所示 5.3 測試結果分析 通過多次測試我們發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)的一些不足之處。由于軸承的摩擦、空氣對板的阻力、支座的穩(wěn)定性等因素系統(tǒng)不可能達到理想狀態(tài)，但是為了減小系統(tǒng)整體誤差我們進行了多次測量實驗，已經將誤差減至規(guī)定的范圍內。系統(tǒng)在范圍內已經可以穩(wěn)定高效的運行。六、系統(tǒng)功能測試 6.1 基本功能測試測試結果及分析表格如下所示：擺桿初始傾角/度計數(shù)器計數(shù)值/次步進電機的轉速 轉/分60511734504217344132183631241836 8; switch(key) case 0x0010: /模式1 one(); break; case 0x0020: /模式2 *p_iob_dir=0xffff; *p_iob_attrib=0xffff; *p_iob_data=0x0000; motor_z2(165-sz)/4); break; case 0x0040: /發(fā)揮部分 *p_iob_dir=0xefff; *p_iob_attrib=0xefff; *p_iob_data=0x0000; sz=sz-210; sz=sz/1; for(h=0;h31;h+) if(sz=num1h) l=num2h; l=l/0.9; motor_z2(l-20); while(1) *p_iob_data=0x8000; delay_us2(450000); break; case 0x0080: si();break; default :break; 附4: 電路原理圖 .圖3.1.1：+12v電源 圖3.1.2：+5v電源 圖3.2.1：步進電機驅動電路