学士学位论文基于自由摆的平板控制系统设计
摘要
本系统是STC12C5A60S2基于单片机为控制核心的平板控制系统。通过单片机对MMA7455倾角传感器数据采集与处理，控制L298N电机驱动，调整57BYG 步进电机的转动，实现平板跟随自由摆的摆动而周期性旋转，可以通过控制平板运动使8枚叠放硬币在自由摆运动过程中静止。
在实现平板控制系统基本功能的同时，利用MMA7455倾角传感器实时检测自由摆摆动的角度，运用查表法实现激光笔照射中心线的功能。在以上功能实现的同时使用TFT彩色液晶屏显示MMA7455倾角传感器的三轴变化情况，采用触摸键盘替代按键进行功能设定与选择,充分的体现了本系统的协调性与实用性。
关键词: STC12C5A60S2E；57BYG；MMA7455；TFT触摸屏
Abstract
The flat control system is based on the single chip STC12C5A60S2 as control core. Through to MMA7455 inclination angle sensor data changeacquisition and processing, controls the L298N motor-driven to realize 57BYGto stepper motor's angle adjustment, achieve the flat periodic rotating with thewaver of free-pendulum. Through control the flat movement to prevent 8 piecescoins movement when the free pendulum motor processing.
While realizes the flat control system basic function，use the MMA7455 inclination angle sensor detect the angle of the free-swinging pendulum, and use table look-up method realize the function of the laser pen illuminating the center line. Realizing the function of the above at the same time, demonstrates the MMA7455 inclination angle sensor's three axis change situation through the TFT colored touching liquid crystal module. Use touch-screen substitution pressed key carry on the different function settings and the choice and fully embodies the coordination and practical of the system in the end.
Keyword: STC12C5A60S2, 57BYG, MMA7455, TFT torch screen
目录
第1章绪论 (1)
第2章系统方案论证与比较 (2)
2.1基本要求 (2)
2.2论证与比较 (2)
第3章理论分析与设计 (4)
3.1平板状态测量方法 (4)
3.1.1硬币的受力分析： (4)
3.1.2平板状态分析： (5)
第4章电路与程序设计 (6)
4.1电路设计 (6)
4.1.1.电源电路设计 (6)
4.1.2 STC12C5A60S2最小系统 (7)
4.2单元设计 (7)
4.2.1主控板单元 (7)
4.2.2驱动系统单元 (8)
4.2.3数据采集单元 (10)
4.2.4 LCD液晶显示单元 (10)
第5章测试方案与测试结果 (12)
5.1对于基本要求（1）的测试方案: (12)
5.2对于基本要求（2）（3）的测试方案： (12)
第6章总结 (13)
参考文献 (14)
致谢 (16)
第1章绪论
单片机是当今应用越来越广泛的一个装置，渗透到我们生活的各个领域，在1971年诞生以来，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段，随着工业控制领域要求的提高和消费电子产品的大发展，单片机技术得到了飞速发展。系统中使用的步进电机，是一个电脉冲信号转换成线位移和角位移的一个开环控制元件。在非超载的情况下，脉冲信号的频率和脉冲数决定电机的转速、停止的位置。当步进驱动器接收到脉冲信号时，步进电机就会转动一定的角度，它以一个固定的角度一步一步运行[1]。因此，可以通过控制角位移控制脉冲的个数获得准确的定位和转动的速度和加速度。
原来使用的控制步进电机的转速角度传感器，虽然可以得到需要的测量角度，对用户来说应用起来比较方便，但是由于功耗比较高，干扰因素较多，测量到的角度误差较大[2]。现在采用的是MMA7455倾角传感器，是一款数字输出、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度计，具有信号调停、低通滤波器、温度补偿、自测、可配置通过中断引脚检测0g等功能，这是传统角度传感器无法达到的。
本文设计的自由摆的平板控制系统，采用的模块化、结构化的设计思想。完成了步进电机对平板的控制，使测试结果更加符合设计要求。
第2章系统方案论证与比较
2.1基本要求
（1）控制电机使平板可以随着摆杆的摆动而旋转（3-5周），摆杆摆一个周期，平板旋转一周（360°），偏差绝对值不大于45°。
（2）在平板上粘贴一张画有一组间距为1cm平行线的打印纸。用手推动摆杆至一个角度θ（θ在30°-45°间），调整平板角度，在平板中心稳定放置一枚1元硬币；启动后放开摆杆让其自由摆动。在摆杆摆动的过程中，要求控制平板状态，使硬币在5个摆动周期中不从平板上滑动，并尽量减少滑离平板的中心位置。
（3）用手推动摆杆至一个角度θ（θ在45°-60°间），调整平板角度，在平板中心稳定叠放8枚1元硬币。启动后，放开摆杆让其自由摆动。在摆动过程中，要求控制平板状态使硬币在摆杆的5个摆杆周期中不从平板上滑落，并保持叠放状态。根据平板上非保持叠放状态及滑落的硬币数计算成绩。
2.2论证与比较
方案一：本控制系统是一个动态自动平衡的测试系统，它主要由以下三个部分组成，结构框图如图1-1所示：
①摆架框架：包括摆架座、轴承、摆杆及螺丝螺母元件等，起支撑作用，平板位于摆杆末端的电机轴上。
②检测系统：通过三轴加速度传感器MMA7455L测量出平板工作台的角度变化，指示出不平衡度的大小，同时通过液晶显示器将其显示，并经过相应的数据处理后送给控制器；
③控制驱动系统：控制器通过对传感器输出信号的分析发出控制信号，经功率放大后控制电机的转动，带动平板尽快恢复平衡状态[3]。
主控板
功放驱动
板
步进电机平板
倾角传感
器
液晶显示
图1-1 平板控制系统框图
方案二：该控制系统也是主要由摆架框架，检测系统，控制驱动系统三大部分组成。与方案一所不同的是检测系统：通过选用芬兰VTI生产的加速度传感器CA610-C28HIA。它的输出信号对电源供应非常敏感，不稳定的电源电压会影响器件输出信号。一般，倾角传感器的模拟输出按比例度量，因此，无论什么样的电源波动都可能直接引起模拟输出的相应变化，比例度量的误差也可能会引起最大为2％的测量误差[4]。该系统的信号采集部分结构框图如图1-2所示：
传感器信号处理ADC转
换
控制器
角度信号小信号整形后信号数字信号
图1-2 信号采集部分结构框图
传统的加速度传感器一般为模拟信号输出，是需要读电压值的，用户需要通过A/D采集后，将模拟信号转换成数字信号，再进行数据分析和处理。MMA7455L提供数字接口（IIC和SPI），用户直接读MMA7455L的寄存器得到相应的输出数字量，不仅速度快，且方便用户数据处理，在一些没有A/D接口的单片机上也照常使用。I2C总线通讯可以使用MCU硬件I2C单元，也可以使用I/O口模拟I2C通讯，对单片机的支持更加广泛[5]。因此，我们选择第一种方案。
第3章理论分析与设计
3.1平板状态测量方法
3.1.1硬币的受力分析：
通过对平板上硬币的理论受力分析可得：当硬币处在最高点和最低点的位置时，硬币的加速度方向为竖直方向，平板处于水平位置。在其他位置时，通过平板转动向硬币提供所需的向心力，使得硬币的滑动摩擦力始终小于其最大静摩擦力，确保硬币与平板无相对位移。
通过对硬币进行多次试验分析可得：当平板在做自由摆运动时，始终保持平板与摆杆垂直，平板上的硬币就不会掉落，这与理论并不违背。当平板在最高点垂直摆杆时，硬币的滑动摩擦力虽大于其最大静摩擦力，但时间相对较短，可以瞬间给硬币提供所需向心力，使得硬币与平板无相对运动[6]。
设硬币的质量为m,重力加速度为g,摆杆与竖直方向的夹角为α，硬币所受向心力为F向，硬币所受切向力为F切，硬币所受支持力为FN。由受力分析图3-1可得：
图3-1 硬币受力分析图
根据图3，由受力分析得：
F切=mg sinα
F向=F N-mg cosα
3.1.2平板状态分析：
对于基本要求（1）的状态分析：由理论分析可知摆杆的摆动周期与摆杆偏离竖直位置的角度无关，因此在一定角度下，可以调整步进电机转动速度，使平板的转动周期与摆杆的摆动周期相同。
对于基本要求（2）（3）的状态分析：在步进电机位置处设一接触开关和按键开关，当摆杆到达一定角度时，操作者打开按键开关，此时开启异步电机转动，异步电机迅速转动。当碰到接触开关时，接触开关将信号反馈给单片机，从而使异步电机停止转动[7]。与此同时步进电机带动平板迅速达到与摆杆垂直的状态。整个过程如图3-2所示：
采集数据单片机步进电机平板
图3-2 平板状态控制框图
第4章电路与程序设计
4.1电路设计
4.1.1.电源电路设计
一般直流稳压电源主要由四部分组成：电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路。如图4-1所示：
图4-1 直流稳压源框图
1．电源变压器：将220V的交流电压变为整流电路需要的交流电压，一般次级电压u2较小。
2．整流电路：将经变压器变压后的次级交流电压u2变成单向的直流电压u3，它包含许多谐波分量和直流成份。
3．滤波电路：将脉动电压u3中的谐波分量滤除，并输出较为平滑的直流电压u4。该电压比较不稳定，往往会随电网电压和负载电流的变化而变化。4．稳压电路：它能在不稳定的电网电压和负载电流变化的同时，保持输出电压的稳定。它是设计直流稳压电源时重要的一部分，决定着直流稳压电源的重要性能指标。
5．电源模块为整个系统提供电源，可以提供3V、5V和12V的电压。不但可以给单片机供电，而且也为角度传感器的提供了电压选择[8]。如图4-2所示：
图4-2 电源原理图
4.1.2 STC12C5A60S2最小系统
STC12C5A60S2最小系统包括复位电路，晶振电路，电源和接地[9]。具体电路
如图4-3所示。
最小系统的应用特点：
1.有可供用户使用的大量I/O 口线。
2.内部存储器容量有限。
3.应用系统开发具有特殊性[10]。 12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940CL KOU T2/A DC0/P 1.0
AD C1/P 1.1
ECI/AD C2/P 1.2
CCP0/A DC3/P1.3
SS/CCP 1/AD C4/P 1.4
MOSI/A DC5/P1.5
MOSI/A DC6/P1.6
SCLK /A DC7/P 1.7RST/P4.7RXD/P3.0TXD/P3.1INTO /P 3.2INT1/P3.3CL KOU TO/TO/P3.4CL KOU T1/T1/P3.5WR/P 3.6ED /P 3.7XTAL 2XTAL 1GN D
Vcc P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7EX_L VD/P4.6/RST2
AL E/P4.5
NA /P 4.4
P2.7/AD15
P2.0/AD8P2.1/AD9
P2.2/AD10
P2.3/AD11
P2.4/AD12
P2.5/AD13
P2.6/AD14
C 6104C 510uF Vin
Power On SW1系统电源/5V/3V C 1
10uF
116R 1A
10K C 2<47p F C 3<47p F
图4-3 单片机最小系统
4.2 单元设计
4.2.1主控板单元
STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机是宏晶科技公司生产的单时钟的单片机，
是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代C51单片机，其指令代码完全兼容传统
8051,但运行速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路, 8路高速10位
A/D 转换(250K/S), 2路PWM,针对电机控制，强干扰场合。它具有以下特点：
1．增强型C51内核的MCU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼8051。
2．工作电压：STC12C5A60S2 系列工作电压：5.5V - 3.5V(5V单片机)。
STC12LE5A60S2 系列工作电压；3.6V - 2.2V(3V单片机)。
3．用户应用程序空间 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K 字节......
4．通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，
仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片
最大不要超过120mA[11]。
5．A/D转换, 10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次) [13]。
6．PWM(2路）/ PCA（可编程计数器阵列,2路）
--- 也可用来当2路D/A使用
--- 也可用来再实现2个定时器
--- 也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)
7．ISP（在系统可编程）/ IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完
成一片[12]。
4.2.2驱动系统单元
步进电机驱动控制器主要由脉冲发生器、脉冲分配器（环形分配器）和功率放大器组成部分[14]，如图4-4所示。脉冲发生器产生的脉冲信号的频率从几Hz 到几十Hz连续变化，脉冲分配器根据指令把脉冲按一定的逻辑关系加到各相绕组的功率放大器上，使步进电机的运行按一定方向运行，实现正、反转控制和定位。因为只有几毫安的电流脉冲分配器的输出，必须进行功率放大，所有由功率放大器来驱动步进电机[3]。
脉冲发生器脉冲分配器功率放大器步进电
机
电源
指令
图4-4 步进电机驱动控制器的构成
步进电机属于数字电动机，并且受脉冲信号的控制，其直线位移量或者是
角位移量和电脉冲数成正比的关系，因此，电动机的直线速度以及转数也与脉
冲频率成正比例关系，可以通过改变脉冲频率的高低，在大范围内调节电动机
的转速，使之快速启动、制动和反转。因为步进电动机会受脉冲的控制，电压
波动和负载变化都不会影响电动机的步距角和转速大小，环境条件，比如温
度、气压、冲击和振动也不会影响，它仅与脉频率有关。每一周都会有固定的
步数，因此在不失步的情况下运行，是不会增加其步距误差的。综合这些特
点，步进电机完全可以用于数字控制的开环系统的伺服元件，并使整个系统简
化且运行可靠。所以，采用了速度和位置检测装置后，它还可以应用于闭环系
统中。如图4-5所示步进电机驱动原理图[15]： IN1IN2IN3IN4VSS VS OUT1OUT2OUT3OUT4EN A EN B GND ISEN B ISEN A VCC D5
Diode 1N4007D6
Diode 1N4007D7Diode 1N4007D8Diode 1N4007D9Diode 1N4007D10Diode 1N4007D11
Diode 1N4007D12Diode 1N4007A
-
+Moter S ervo MOTOR 2A -+Moter S ervo MOTOR1 O U T 1O U T 2O U T 3O
U
T
4121
2R10.5
R2
0.5OUT1OUT2OUT3OUT4+12V MOTOER11
MOTOER12
MOTOER21
MOTOER22
U2
12345678910111213141512P2
Header 2VCC
1
2
P3
Header 2VCC C4104C3
100uF +12V C2104C1
100uF VCC 1
2
3
P4
Header 3VCC +12V +
+
图4-5 步进电机驱动原理图（1）
图4-5 步进电机驱动原理图（2）
4.2.3数据采集单元
本系统选择的是MMA7455L倾角传感器模块，MMA7455L是一款低功耗、数字输出（I2C/SPI）、紧凑型电容式微机械加速度计，具有自测、信号调理、温度补偿、低通滤波器、可配置通过中断引脚（INT1或INT2）检测0g、以及脉冲检测等功能。0g偏置和灵敏度是出厂配置，无需外部器件。客户可使用指定的0g寄存器和g-Select量程选择对0g偏置进行校准，量程可通过命令选择3个加速度范围（2g/4g/8g）[16]。
MMA7455数字三轴加速度传感器模块核心为飞思卡尔公司的MMA7455L数字三轴加速度传感器，该模块设计使用官方推荐设计，板卡线路经过高电磁兼容设计和优化，具有输出精确，体积小，工作可靠，各种标识清晰，扩展性好等特点[17]。其原理图如图4-6所示：
图4-6 MMA7455倾角传感器原理图
4.2.4 LCD液晶显示单元
测试程序说明:2.4寸 TFT彩色液晶，代码测试环境为LL_51核心实验板+1T指令STC[18]。高速单片机：STC12LE5A60S2。
模块电压说明:单片机工作电压为3.3V,外部晶振为24M。
模块电源：模块电源为3.3V，模块上预留了AMS1117稳压电路[19]，如需接入5V电压，应用AMS1117-3.3和4个贴片电容替换掉0Ω电阻。容值如下：CJ1、CJ2-10uF C1、C2-0.1uF。
数据口电平：理论上数据口电平不能超过3.3V，但是由于TFT内部有电压钳位，大于 3.3V也是允许的，为保证稳定工作，建议不要超过 3.3V[20]，适当时候可以加电平转换IC或使用电阻分压。图4-7为液晶原理图：
图4-7 液晶原理图
第5章测试方案与测试结果
5.1对于基本要求（1）的测试方案:
在摆杆偏离角度θ一定下，摆杆与平板在10个周期内的多次时间测定，如下表所示。
表1-1：θ=40°时：表1-2 θ=20°时：
时间类别摆杆平板时间类别摆杆平板
平均时间19.2s 19.0s 平均时间18.5s 17.9s
5.2对于基本要求（2）（3）的测试方案：
由平板状态分析过程可知，要想让硬币不会在平板上滑动或滑落，只需控制平板一直与摆杆处于垂直状态即可。在此过程中，摆杆角度变化与平板达到与摆杆垂直所需时间关系如表1-3所示：
表1-3
30 45 60
计算理论值100ms 150ms 200ms
时间
角度
第6章总结
本论文分析了整个系统的结构和特点，采用模块化、结构化设计思想。系统主要由摆架框架、数据采集部分、主控板、驱动系统四大部分组成。其中摆架框架包括摆架座、摆杆、轴承及螺丝螺母元件等。数据采集部分主要由MMA7455倾角传感器和TFT彩色液晶组成。主控板以STC12C5A60S2单片机为控制核心。驱动系统主要是由步进电机专用驱动芯片L298N作为本系统的电机驱动电路，同时本系统运用的是两相四线57BYG步进电机。除此之外，整个系统还运用了键盘开关，触摸开关等元件。
参考文献
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致谢
本文论文从选题到最终完成都是在导师李爱云老师的悉心指导下完成的。首先感谢李爱云老师一次又一次不厌其烦的指导，从论文选题到搜集资料，从开题报告、写初稿到反复修改，有过喜悦，有过无奈，也有过失落，最终还是在老师鼓励下我坚持了下来！经过和老师这几个月的讨论和学习，我不仅学到了许多以前从未接触过的知识，也学到了很多有益的思想方法和老师传授的宝贵经验。同时在老师的指导帮助下让自己在大学期间交上最后一份答卷，也为自己的四年大学生活画上了一个完美的句号。再次衷心地感谢李爱云老师