摘要
本设计要求设计一个基于自由摆的平板控制系统，控制电机能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。在平板上摆放一枚和八枚硬币，一枚硬币时用手堆动摆杆至一个角度(30度到45度)，八枚硬币时，用手堆动摆杆至一个角度(45度到60度)，启动系统后，让自由摆自由的摆动，在五个周期内，不让平板上的硬币掉下来。
本设计是基于AT89C52单片机为主控芯片，将角度传感器与自由摆顶端相连，利用角度和电阻值的线性关系，采用单片机进行AD转换器转换角度传感器两端电压的变化，并在LCD液晶屏上显示转换后的角度值，通过单片机对电机驱动芯片控制驱动电机，实现电机随着摆杆的摆动而正反转和停转的功能，应用单片机对采集到的电压进行PID控制算法，再通过改变PWM的占空比达到精确控制电机转速的目的，从而使平板随着摆杆的摆动一直与水平面保持平行。基于自由摆的平板控制系统能够使放在平板上的小物件在摆动的过程中不会掉下来。
关键词：AT89C52；AD转换；步进电机；LCD屏
Abstract
The design requirements and design a tablet based on free pendulum control system can control the motor plate can swing with the pendulum rotates (3-5 weeks), the pendulum swing a cycle, tablet revolution. Placed on the plate and an eight coins, a coin pile hand when moving to a pendulum angle (30 degrees to 45 degrees), eight coins, hand heap to a moving pendulum angle (45 degrees to 60 degrees), start the system, let freedom pendulum swinging freely in the five periods, not to fall flat on the coin.
This design is based on AT89C52 microcontroller as the master chip, the angle sensor is connected to the top of the free pendulum, the use of angle and the linear relationship between the resistance value, the use of single-chip AD converter converts the voltage across the sensor angle changes, and on the LCD screen displayed angle value after conversion by the motor driver chip microcontroller controls the drive motor, the motor with the swing of the pendulum and stopped reversing function, application microcontroller collected voltage PID control algorithm, and then by changing the PWM duty cycle to achieve the purpose of precise control of motor speed, so that the plate with the pendulum has been swinging parallel to the horizontal plane. Tablet based on free pendulum control system enables small objects on the plate in the swing process will not fall off.
Key Words: AT89C52, ADStepper motor, LCD screen
目录
摘要..................................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................................... I I 1 绪论. (1)
1.1 课题背景与意义 (1)
1.2 课题的内容与要求 (1)
2 系统方案设计 (2)
2.1 结构框图 (3)
2.2 系统模块选择设计 (3)
2.2.1 控制器模块 (3)
2.2.2 角度转换模块 (4)
2.2.3 电机模块 (4)
2.2.4 驱动电机模块 (4)
2.2.5 显示模块 (4)
3 理论分析与计算 (4)
3.1 自由摆平板系统模型建立 (5)
3.2 自由摆旋转角度与电机旋转角度关系建模与分析 (6)
3.3 发挥部分建模与设计 (6)
4 电路与程序设计 (7)
4.1 电路设计 (8)
4.1.1 驱动步进电机模块 (8)
4.1.2 角度检测模块 (8)
4.1.3 显示器模块 (8)
4.1.4 系统电路 (9)
4.2 程序设计 (9)
4.2.1Keil软件介绍 (10)
4.2.2 程序设计流程图 (10)
5Protues仿真测试及分析 (12)
5.1Protues软件介绍 (12)
5.2Protues仿真测试电路 (13)
5.3 测试数据 (13)
5.4 测试分析 (14)
结论 (15)
致谢 (16)
参考文献 (17)
1 绪论
1.1 课题背景与意义
单片微型计算机简称单片机，常用英文字母的缩写MCU，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。
由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由仅有CPU的专用处理器芯片发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的8080是最早按照这种思想设计出的处理器，当时的单片机都是4位或8位的。其中最成功的是INTEL的8051，此后在8051上发展出了MCS51系列单片机系统。因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。尽管2000年以后ARM已经发展出了32位的主频超过300M的高端单片机，直到现在基于8051的单片机还在广泛的使用。在很多方面单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了广泛的应用。事实上单片机是世界上数量最多处理器，随着单片机家族的发展壮大，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
现代人类生活中所几乎所有每件电子器件的产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机。汽车上一般配备几十种片单片机，复杂的工业控制系统上能使数百片单片机同时工作！单片机的数量不但远超过PC机和其他计算机的总和，甚至比地球总人数还多。
基于自由摆的平板控制系统设计有利于熟悉单片机原理和掌握C语言编程，增强动手能力。
1.2 课题的内容与要求
设计并制作一个自由摆上的平板系统，其结构如图1.1所示。摆杆的一端通过转轴固定在一支架上，另一端固定安装一台电机，平板固在电机转轴上；当摆杆如图1.2所示摆动时，驱动电机可以控制平板转动。用手推动摆杆至一个角度θ(θ在45度到60度间)，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。在摆杆摆动过程中，要求控制平板状态使硬币在摆杆运动中不从平板上滑落，并保持叠放状态。并且在平板上固定一激光笔，光斑照射在距摆杆150cm距离处垂直放置的靶子上。摆杆垂直静止且平板处于水平时，调节靶子高度，使光斑照射在靶纸的某一条线上，标
识此线为中心线。系统启动后，在15秒钟内控制平板尽量使激光笔照射在中心线上。
图1.1 自由摆结构
图1.2 自由摆摆动示意图
2 系统方案设计
本课题要求设计并制作一个自由摆上的平板控制系统，能实现在自由摆摆动过程中平板自由旋转，以及在自由摆摆动过程中平摆上放置硬币使硬币不滑落。发挥部分要求实现用手推动摆杆至一个角度θ(θ在30度到60度间)，系统启动后，系统应在15秒钟内控制平板尽量使平板上的激光笔照射在设定的中心线上[1]。
2.1 结构框图
本系统利用AD转换器转换自由摆摆动角度并用数码管显示，利用单片机接收信号并控制步进电机来控制平板转动。主要由角度转换模块、电机模块、驱动电机模块，显示模块，控制模块。系统结构框图如图2.1所示。
图2.1 系统结构框图
2.2 系统模块选择设计
本系统以AT89C52作为控制核心，用四相八拍的步进电机来控制平板转动，采用TLC549AD转换器转换自由摆摆动角度，并利用LCD1602数码管显示角度，采用达林顿ULN2003步进电机驱动器驱动步进电机。下面分别介绍这几个模块的设计。
2.2.1 控制器模块
采用ATMEL公司的AT89C52控制芯片。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，8kB可反复擦写(大于
1000次)Flash ROM，32个双向I/O口，256x8bit内部RAM，3个16位可编程定时/计数器中断，时钟频率0到24MHz，具有低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能。
2.2.2 角度转换模块
采用TI公司的TLC549AD转换器[2]。TLC549是TI公司生产的一种低价位、高性能的8位A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，其转换速度小于17us，最大转换速率为4MHZ，4MHZ典型内部系统时钟，电源为3V至6V。可用于较小信号的采集，它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统[3]。
2.2.3 电机模块
采用四相八拍的步进电机控制平板的运动。步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显。四相八拍步进电机最小步进角为0.9度，因此能实现平板转动的精确控制，步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性[4]，改变脉冲的顺序，就可以改变转动的方向，电机的停止、转速只取决于脉冲信号的脉冲数和频率，并且步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特性从而能较好的实现平板停止转动的目的。
2.2.4 驱动电机模块
采用达林顿ULN2003。ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN 复合晶体管组成，具有电流增益高、工作电压高，灌电流可达500mA，能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行，还具有带负载能力强等特点，适应于各类要求高速大功率驱动的系统[5]。ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。
2.2.5 显示模块
采用LCD1602显示。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示符号、字母、数字等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，LCD1602能显示16*2，即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。
3 理论分析与计算
3.1 自由摆平板系统模型建立
(1) 自由摆运动模型，系统是由轻杆和步进电机等组成，相较于步进电机轻杆重心
可以近似为在平板附近，摆沿半径为l 的弧长自由摆动。示意图如图3.1所示。
图3.1 自由摆模型示意图
① 在最低位置时平板将达到最大速度，因此在不计空气阻力及固定点摩擦力的情
况下利用能量守恒定律有：
2()(1cos )v l mg m θ-= 由此可以得出最大速度：
v =
② 自由摆周期计算
根据单摆的周期计算公式：
2T =
得单摆周期T =1.986ms 。
(2) 使硬币不滑落的模型分析
根据单摆的物理规律平板随自由摆摆臂运动的加速度方向始终垂直与摆臂，当摆角
30度到45度之间时，经过推算，硬币会受到平板沿平板方向上微弱的分力作用，但是考
虑到两者之间的摩擦力作用，静摩擦力要远大于沿平板方向分力作用，是不会使硬币发
生位移。因此只要保持平板与摆臂的垂直就能保证硬币不会滑落。
自由臂开始运动时平板保持水平位置，要保证硬币不从平板上滑落需要平板尽快保持与自由臂垂直，因此在放开摆时则需要让平板尽快达到与自由臂垂直位置。
3.2 自由摆旋转角度与电机旋转角度关系建模与分析
由自由摆系统原理可知，控制平板状态要保持平衡，即摆杆摆动多少角度，平板就需要转动相应角。平板平衡示意图如图3.2所示。
图3.2 自由摆旋转角与平板倾角关系
3.3 发挥部分建模与设计
系统控制的发挥部分要求是激光笔在摆杆自由摆动的过程中，照射在靶子上的光斑始终位于靶子的中心线上。已知摆长l=100cm，BC=150cm。自由摆逆时针旋转时为了使激光笔照射到中心线上，步进电机需要顺时针旋转角度如图3.3所示。
C
图3.3 自由摆逆时针旋转角度示意图
通过分析摆杆摆动的角度和平板相对水平方向的转动角度，建立数学方程式[6]，经数学计算可得步进电机旋转角度 ：
)cos 100100sin 100150(arctan θ
θβ--= βθγβα-90--180+==??
若自由摆顺时针旋转θ时为了使激光笔照射到中心线上，步进电机需要顺时针旋转
角度如图3.4所示。
C
图3.4 自由摆顺时针旋转角度示意图
经数学计算可得自由摆顺时针旋转时步进电机旋转角度α：
)sin 100150cos 100100tan(a θ
θβ+-=rc βθα-=
4 电路与程序设计
4.1 电路设计
4.1.1 驱动步进电机模块
本模块采用达林顿ULN2003驱动四相六线步进电机，电机的转速、停止由AT89C52单片机所给达林顿ULN2003驱动器的脉冲信号频率和脉冲数，电路设计如图4.1所示。
图4.1 驱动步进电机电路截图
4.1.2 角度检测模块
本模块采用滑动变阻器代替实物角度变化量。通过改变滑动变阻器电阻值来模拟角度变化，并采用TLC549AD转换器进行角度转换[7]。角度检测电路连接如图4.2所示。
图4.2 角度检测电路截图
4.1.3 显示器模块
本模块采用1602LCD显示器实时显示自由摆角度变化，其电路如图4.3所示所示。
图4.3 显示模块电路截图
4.1.4 系统电路
本系统采用TLC549AD转换器转换单摆摆动角度并用LCD1602显示角度，利用单片机接收信号并控制步进电机来控制平板转动，系统电路设计如图4.4所示。
图4.4 系统设计电路截图
4.2 程序设计
4.2.1 Keil软件介绍
Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境(uVision)将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果使用C语言编程，那么Keil几乎就是不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会事半功倍。
Keil优点Keil C51生成的目标代码效率非常的高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。C51工具包的整体结构，uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C 或汇编源文件。然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中[8]。
4.2.2 程序设计流程图
(1) 程序功能描述
本系统控制程序主要功能是：利用角度和电阻值两端电压的一一对应关系，自由摆摆动使角度变化，采集滑动变阻器两端电压的变化，通过AD转换器转采集的电压变化数字量，再由程序计算得到角度变化的数字量，然后根据步进电机的步进角度换算成步进电机所需要步数，单片机进行算法控制，再通过改变PWM的脉冲数，达到精确控制电机同轴的平板转过的角度。
(2) 程序设计思路
由于单片机采集到的是电压的模拟量，而自由摆旋转的角度和电阻两端的电压成线性关系。因此，必须经过A/D转换为数字量，再根据电压量与角度的一一对应关系，计算出该给步进电机多少脉冲，实现对电机的控制。
由此，程序设计流程图如图4.5所示[9]。
图4.5 程序设计流程图
5 Protues仿真测试及分析
5.1 Protues软件介绍
Protues软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB 设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等。2010年增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面，它也支持IAR、Keil ，Protues可提供的仿真仪表资源：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。除了现实存在的仪器外，Protues还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。
在Protues搭建好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：HEX文件，可以在Protues 的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。Protues是单片机课堂教学的先进助手。Protues不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于Protues提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台。随着科技的发展“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。在单片机开发应用中Protues也能茯得愈来愈广泛的应用。
5.2 Protues仿真测试电路
本系统仿真测试电路如图5.1所示。
图5.1 系统仿真测试电路截图
5.3 测试数据
测试结果如表5.1表述。
表5.1 测试结果
次数 1 2 3 4 5 6 7 8
显示器
60 45 30 20 0 -20 -45 -60
角度
电机转
-57.8 -42 -21 -15.8 0 15.8 47.2 63 过角度
误差 2.2 3 9 4.2 0 4.2 2.7 3
从表5.1可以得出电机转过角度与设计要求存在一定偏差，具体分析详见下文。
5.4 测试分析
(1) 自由摆转动由角位移采集数据，经处理器计算控制电机转动的过程需要消耗一定的时间。在这一定的时间之内自由摆又转动了一定的角度。因此，电机的转动总是晚于自由摆当时的角度产生误差。
(2) 步进电机的转动非无极转动，当需要转动的角度较小时无法刚好转动需要的角度产生误差。
结论
此次基于自由摆的平板控制系统设计，以单片机为控制核心，采用TLC549A/D转换器实时转换自由摆旋转角度及方向信息，并通过步进电机开环控制平板旋转角度，以实现控制要求。在一个周期里，平板角度调整速度快，平板旋转角度误差基本在15度以下，能够实现硬币滑动无跌落。本系统设计基本上能够达到设计要求。
在测试和分析过程中可以得到以下结论：
(1) 采用高性能步进电机及配套的步进电机驱动器，该步进电机最小步进角为1.8度，且可对步进电机进行四细分、八细分、十六细分可调控制，进而实现步进电机的微小精确控制。此外，该步进电机具有较短的响应时间，经理论计算可完全满足平板保持动态水平的实时性要求。
(2) 电机转动3周，平板可以随着摆杆的摆动而旋转3周，摆杆摆一个周期，平板旋转一周，偏差绝对值不大于15度。
(3) 自由摆摆动时(θ在30度到45度间)，平板中心的一枚1元硬币（人民币）在5个摆动周期中不从平板上滑落。
(4) 自由摆摆动时(θ在45度到60度间)，平板中心的八枚1元硬币（人民币）在5个摆动周期中不从平板上滑落。
尽管本系统设计能够满足设计要求，但是在设计过程中也存在一些问题。
设计过程中存在的问题如下：
(1) 由于是模拟设计，不能采集到现场数据，仿真效果仅限于表现整个设计的完整性及可行性，并不反应现场真实状况。
(2) 步进电机的转动非无极转动，当需要转动的角度较小时无法刚好转动需要的角度产生误差。
致谢
本课题的设计工作是在我的导师侯涛老师的悉心指导下完成的，候老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢候老师对我的关心和指导。
侯老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。在设计过程中，侯老师给我做了非常重要的指导，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！
同时，本设计的顺利完成离不开同学和朋友的关心和帮助。在课题设计及论文的撰写编排整个过程中，得到了许多的热情帮助，使我能够不断地学习提高。
单级倒立摆系统的分析与设计 小组成员：武锦张东瀛杨姣 李邦志胡友辉 一．倒立摆系统简介 倒立摆系统是一个典型的高阶次、多变量、不稳定和强耦合的非线性系统。由于它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性，因而对其研究具有重大的理论和实践意义。由于倒立摆系统本身所具有的上述特点，使它成为人们深入学习、研究和证实各种控制理论有效性的实验系统。 单级倒立摆系统（Simple Inverted Pendulum System）是一种广泛应用的物理模型，其结构和飞机着陆、火箭飞行及机器人的关节运动等有很多相似之处，因而对倒立摆系统平衡的控制方法在航空及机器人等领域有着广泛的用途，倒立摆控制理论产生的方法和技术将在半导体及精密仪器加工、机器入技术、导弹拦截控制系统、航空器对接控制技术等方面具有广阔的开发利用前景。 倒立摆仿真或实物控制实验是控制领域中用来检验某种控制理论或方法的典型方案。最初研究开始于二十世纪50年代，单级倒立摆可以看作是一个火箭模型，相比之下二阶倒立摆就复杂得多。1972年，Sturgen等采用线性模拟电路实现了对二级倒立摆的控制。目前，一级倒立摆控制的仿真或实物系统已广泛用于教学。 二．系统建模 1．单级倒立摆系统的物理模型 图1：单级倒立摆系统的物理模型
单级倒立摆系统是如下的物理模型：在惯性参考系下的光滑水平平面上，放置一个可以在平行于纸面方向左右自由移动的小车（cart ），一根刚性的摆杆（pendulum leg ）通过其末端的一个不计摩擦的固定连接点（flex Joint ）与小车相连构成一个倒立摆。倒立摆和小车共同构成了单级倒立摆系统。倒立摆可以在平行于纸面180°的范围内自由摆动。倒立摆控制系统的目的是使倒立摆在外力的摄动下摆杆仍然保持竖直向上状态。在小车静止的状态下，由于受到重力的作用，倒立摆的稳定性在摆杆受到微小的摄动时就会发生不可逆转的破坏而使倒立摆无法复位，这时必须使小车在平行于纸面的方向通过位移产生相应的加速度。依照惯性参考系下的牛顿力学原理，作用力与物体位移对时间的二阶导数存在线性关系，单级倒立摆系统是一个非线性系统。 各个参数的物理意义为： M — 小车的质量 m — 倒立摆的质量 F — 作用到小车上的水平驱动力 L — 倒立摆的长度 x — 小车的位置 θ— 某一时刻摆角 整个倒立摆系统就受到重力、驱动力和摩擦阻力的三个外力的共同作用。这里，驱动力F 是由连接小车的传动装置提供，控制倒立摆的稳定实际上就是依靠控制驱动力F 使小车在水平面上做与倒立摆运动相关的特定运动。为了简化模型以利于仿真，假设小车与导轨以及摆杆与小车铰链之间的摩擦均为0。 2．单级倒立摆系统的数学模型 令小车的水平位移为x ，运动速度为v ，加速度a 。 小车的动能为212kc E Mx =，选择特定的参考平面使得小车的势能为0。 摆杆的长度为L ，某时刻摆角为θ，在摆杆上与固定连接点距离为q （0 设计名称：智能照明控制系统组别：第五组 组长：XX 组员：XX 基于单片机的智能照明控制系统设计 随着电子技术的飞速发展，基于单片机的控制系统已广泛应用于工业、农业、电力、电子、智能家居等行业，微型计算机作为嵌入式控制系统的主体与核心，代替了传统的控制系统的常规电子线路。 本文介绍了基于单片机AT89C51的室内灯光控制系统及其原理，提出了有效的节能控制方法。该系统采用了当今较成熟的传感技术和计算机控制技术，利用多参数来实现对学校教室室内照明的控制。 系统设计包括硬件设计和软件设计两部分。工作时,光信号取样电路采集光照强弱、人体信号采集电路采集室内是否有人、是否为工作时间等信息并将信号送到单片机,单片机根据这些信息通过控制电路对照明设备进行开关操作,从而实现照明控制,以达到节能的目的。 目录 1 引言....................................................................... 1.1 研究背景.............................................................. 1.2 智能照明控制系统的优点................................................. 2 设计部分................................................................... 2.1设计要求............................................................... 2.2系统设计............................................................... 2.3逻辑控制............................................................... 2.4硬件设计............................................................... 2.4.1 系统硬件总述....................................................... 2.4.2 AT89C51单片机介绍................................................. 2.4.3 光照检测电路....................................................... 2.4.4 人体信号采集电路................................................... 2.4.5 比较电路........................................................... 2.4.6 延迟时间选择电路................................................... 2.4.7 输出控制电路....................................................... 3 系统软件设计及实现......................................................... 4 结论...................................................................... 5 评价……………………………………………………………………………………………….. 6 组员分工………………………………………………………………………………………….. 2011年全国电子设计大赛基于自由摆的平板控制系统（B题） 2011年9月4日 目录 1 方案的设计与论证 (2) 1.1控制芯片的选择 (3) 1.2电机的选择 (3) 1.3角度传感器的选择 (3) 2 实际电路设计 (3) 2.1最小系统 (4) 2.2系统组成原理 (4) 2.3角度移位传感器 (4) 2.4电机控制和驱动 (5) 2.5显示模块 (6) 2.6按键模块 (6) 2.7电源模块 (6) 3 实际软件设计 (5) 3.1软件程序功能描述 (6) 3.2程序流程图 (5) 4 实际系统的测试结果 (6) 4.1 测试仪器 (6) 4.2测试数据 (6) 4.3误差分析 (7) 5 创新部分 (7) 6 设计总结 (7) 7 附录 (8) 附1：部分元器件清单 (8) 附2：原理图 (8) 附3：部分程序清单 (8) 摘要：为了对自由摆的平板控制系统的要求，我们进行了各方面的精 细筛选最终我们选择了TI公司的MSP430F149单片机作为我们的系统控制核心,它具有16位的处理数据，处理数据快，内含8个12位高精度AD。在电机驱动方面应用了TA8435H来驱动双直流的步进电机来控制平板。系统的显示是采用了12864，，显示清晰可观，美观大方。在采集数据方面我们应用了高精度的角位移传感器WDD35D4。我们的系统的软硬件设计都是采用了模块化的设计思想。. 最终实验证明，系统完全可以达到设计的要求，完成了基本部分和发挥部分的要求。本系统在设计当中还力求了低功耗高性价比等。 关键字：MSP430F149 TA8435H 12864 WDD35D4 毕业设计论文 水温自动控制系统 钟野 院系：电子信息工程学系 专业：电气自动化技术 班级： 学号： 指导教师： 职称（或学位）： 2011年5 月 目录 1 引言 (2) 2 方案设计 (2) 2.1 总体系统的设计思路 (2) 2.2 部分外围系统的设计思路 (3) 3 硬件电路设计 (3) 3.1 单片机最小系统的设计 (3) 3.2 温度检测电路的设计与论证 (4) 3.3 显示功能电路的设计与论证 (5) 3.4 温度报警提示功能电路的设计与论证 (5) 3.5 外围电路控制设计 (6) 3.6 扩展部分方案设计 (7) 4 软件设计 (7) 4.1 控制主程序设计 (7) 4.2 温度设置程序设计 (8) 4.3 上下限报警程序设计 (8) 5 结论 (9) 结束语 (9) 致谢 (10) 参考文献 (10) 附录............................................................................................................... 错误！未定义书签。 水温自动控制系统 钟野 （XXXX电子信息工程学系指导教师：CXJ） 摘要：本文设计主要是采用A T89C51单片机为控制核心、以温度传感器（DS18B20）为温度采集元件, 外加温度设置电路、温度采集电路、显示电路、报警电路和加热电路来实现对水温的显示同时自动检测及线性化处理,其误差小于±0.5℃。本文重点介绍硬件设计方案的论证和选择，以及各部分功能控制的软件的设计。本次设计的目标在于：由单片机来实现水温的自动检测及自动控制，实现设备的智能化。 关键词：单片机;温度传感器;自动控制 Abstract: This paper is designed AT89C51 microcontroller as control core and temperature sensor DS18B20) for (temperature gathering element, plus the temperature setting circuit, temperature gathering electriccircuit, display circuit, alarm circuit and heating circuit to achieve water temperature display while automatically detecting and linearization, its error is less than 0.5 + ℃. This paper mainly introduces the hardware design argumentation and choice, and some functional control software design. This design goal is: by single-chip microcomputer to realize the automatic detection and automatic temperature control, realize the intellectualized equipment. Keywords: Microcontroller; Temperature sensors; Automatic control 1 概述 学生信息管理系统是学校管理的重要工具，是学校不可或缺的部分。随着在校大学生人数的不断增加，教务系统的数量也不断的上涨，。学校工作繁杂、资料众多，人工管理信息的难度也越来越大，显然是不能满足实际的需要，效率也是很低的。并且这种传统的式存在着很多的弊端，如：保密性差、查询不便、效率低，很难维护和更新等。然而，本系统针对以上缺点能够极大地提高学生信息管理的效率,也是科学化、正规化的管理,与世界接轨的重要条件。所以如自动高效地管理信息是这些年来多人所研究的。 随着这些年电脑计算机的速度质的提高，成本的下降，IT互联网大众趋势的发展。我们使用电脑的高效率才处理数据信息成为可能。学生学籍管理系统的出现，正是管理人员与信息数据，计算机的进入互动时代的体现。友好的人机交互模式，清晰简明的图形界面，高效安全的操作使得我们对成千上万的信息的管理得心应手。通过这个系统,可以做到信息的规管理,科学统计和快速的查询,从而减少管理面的工作量?毋庸置疑,切实有效地把计算机管理引入学校教务管理中,对于促进学校管理制度,提高学校教学质量与办学水平有着显著意义? 2 需求与功能分析 学生信息管理系统，可用于学校等机构的学生信息管理，查询，更新与维护，使用便，易用性强。该系统实现的大致功能：用户登陆。提供了学生学籍信息的查询，相关科目的成绩查询和排名，修改登录密码等功能。教师管理。提供了对学生学籍信息的查询，添加，修改，删除；学生成绩的录入，修改，删除，查询班级排名。修改密码等功能。管理员管理。 拥有最高的权限。允添加教师信息和课程信息等。其提供了简单、便的操作。 3 概要设计 3.1功能模块图 功能模块图，如下图3.1所示 图3.1 功能模块图 3.2数据流图 数据流图，如图3.2所示 教师信息 课程信息 基于AT89C52单片机和BIS0001的智能照明控制系统设计 类别：网文精粹阅读：1013 对一些照明时间较长、照明设备较多的场所(如学校教室、商场等)，其照明系统的使用浪费现象屡见不鲜。由于缺乏科学管理和管理人员的责任心不强，有时在借助外界环境能正常工作和夜晚室内空无一人时，整个房间内也是灯火通明。这样下来，无形中所浪费的电能是非常惊人的。据测算，这种现象的耗电占其单位所有耗电的40％左右。因此，有必要在保证照明质量的前提下，实施照明节能措施。这不仅可以节约能源，而且会产生明显的经济效益。 1系统结构和工作原理 系统结构图如图1所示。本系统主要由光照检测电路、热释电红外线传感器及处理电路、单片机系统及控制电路组成。工作时，光照检测电路和热释电红外线传感器采集光照强弱、室人是否有人等信息送到单片机，单片机根据这些信息通过控制电路对照明设备进行开关操作，从而实现照明控制，以达到节能的目的。 2系统硬件设计 按图1构成的系统硬件电路如图2所示。为了使系统功能更加完善，在该系统中可以增加时间显示电路，用于显示当前的时间。由于该部分硬件与软件均已成熟，在此不做详细介绍。 2.1中心控制模块 目前较为流行的单片机有AVR和51单片机，从系统设计的功能 需求及成本考虑，51单片机性价比更高。AT89C52是拥有2个外部中断、2个16位定时器、2个可编程串行UART的单片机。中心控制模块采用AT89C52单片机已完全满足设计需要，实现整个系统控制。 2.2光照检测电路 如图2所示，当外界环境光照强时，光敏电阻R13阻值较小，则A点电平较低；当外界环境光照弱时，光敏电阻R13阻值较大，则A 点电平较高，将此电平送到单片机，由程序控制是否实现照明。 2.3热释电传感器及处理电路 2.3.1热释电红外线传感器 热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号。热释电传感器具有成本低、不需要用红外线或电磁波等发射源、灵敏度高、可流动安装等特点。实际使用时，在热释电传感器前需安装菲涅尔透镜，这样可大大提高接收灵敏度，增加检测距离及范围。实验证明，热释电红外传感器若不加菲涅尔透镜，则其检测距离仅为2 m左右；而配上菲涅尔透镜后，其检测距离可增加到10 m以上。 由于热释电传感器输出的信号变化缓慢、幅值小(小于1 mV)，不能直接作为照明系统的控制信号，因此传感器的输出信号必须经过一个专门的信号处理电路，使得传感器输出信号的不规则波形转变成适 基于自由摆的平板控制系统 一、总体方案设计 1.主控系统选择 方案一：使用传统51单片机作为主控制器，价格低廉，但其运算速度慢，片内资源少，存储容量小，难以实现复杂的算法。 方案二：使用FPGA，CPLD等大规模可编程逻辑控制器件，其时钟频率很高，运算速度很快，但不适合于该题目。 方案三：使用基于ARM Cortex-M3内核的EasyARM1138单片机，它有8通道10位ADC，使用方便且低功耗。 方案比较：综合比较，选择方案三。 2.角度测量 方案一：使用双轴倾角传感器SCA103T-D04，测量范围为±15度，可适用于垂直方向的各种角度的测量。 方案二：使用电位器作为角度传感器，由于不同角度输出的电阻值不同，通过AD采样电阻两端电压，计算得到角度。 方案三：使用Angtron-RE-38-V-Lite旋转编码器，角度测量范围为0~360°，根据不同角度，可直接输出不同的电压值，线性度好。 方案比较：对于方案一，虽然SCA103T精度较高，但它是基于加速度原理进行测量，使用SCA103T进行倾角检测时，应保证被测设备匀速运动，否则会引进误差，而在自由摆系统中，平板不是匀速运动。虽然可以采用峰值滤波和一阶惯性滤波相结合的方式通过软件编程进行处理，但较繁琐。对于方案二，对于一般的电位器，线性度较差，而对于线性度较好的电位器，如22HP-10等，价格较高。对于方案三，使用该旋转编码器，可以直接对输出电压进行AD采样，计算得出角度值，使用方便。综合考虑，选择方案三测量自由摆运动过程中的摆角。 3.电机选择 方案一：使用伺服电机作为执行元件，运行精确，能高速制动，惯量小，适合闭环控制。 方案二：使用步进电机作为执行元件，由于步进电机是采用脉冲驱动，精度较高，适合开环控制。 方案比较：对于方案一，虽然伺服电机性能良好，但价格较高。对于方案二，步进电机可以通过16细分可以减弱低频振动，控制方便，开环性能良好，可以适用于该设计。综合考虑，选择方案二。 4.松手检测 方案一：软件检测，用手推动摆杆至一定角度θ，通过AD采样测得θ，若程序检测到θ开始减小，说明推动摆杆的手已经松开，步进电机可以开始调整平板角度。 北方民族大学学士学位论文论文题目:温度自动控制系统的设计 北方民族大学教务处制 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期： 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日 《运动控制系统》课程设计报告 时间2014.10 _ 学院自动化 _ 专业班级自1103 _ 姓名曹俊博__ 学号 指导教师潘月斗 ___ 成绩 _______ 摘要 本课程设计从直流电动机原理入手，建立V-M双闭环直流调速系统，设计双闭环直流调速系统的ACR和ASR结构，其中主回路采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，触发器采用KJ004触发电路，系统无静差；符合电流超调量σi≤5%；空载启动到额定转速超调量σn≤10%。并详细分析系统各部分原理及其静态和动态性能，且利用Simulink对系统进行各种参数给定下的仿真。 关键词：双闭环；直流调速；无静差；仿真 Abstract This course is designed from DC motor, establish the principles of V-M double closed loop DC speed control system design, the double closed loop dc speed control system and the structure, including ACR ASR the main loop thyristor three-phase bridge type all control the power supply and trigger the rectifier circuit KJ004 trigger circuit, the system without the static poor; Accord with current overshoots sigma I 5% or less; No-load start to the rated speed overshoot sigma n 10% or less. And detailed analysis of the system principle and the static and dynamic performance, and the system of simulink to various parameters set simulation. Key Words：double closed loop；DC speed control system；without the static poor；simulation 一阶直线倒立摆系统 姓名： 班级： 学号： 目录 摘要 (3) 第一部分单阶倒立摆系统建模 (4) （一）对象模型 (4) （二）电动机、驱动器及机械传动装置的模型 (6) 第二部分单阶倒立摆系统分析 (7) 第三部分单阶倒立摆系统控制 (11) （一）内环控制器的设计 (11) （二）外环控制器的设计 (14) 第四部分单阶倒立摆系统仿真结果 (16) 系统的simulink仿真 (16) 摘要： 该问题源自对于娱乐型”独轮自行车机器人”的控制，实验中对该系统进行系统仿真，通过对该实物模型的理论分析与实物仿真实验研究，有助于实现对独轮自行车机器人的有效控制。 控制理论中把此问题归结为“一阶直线倒立摆控制问题”。另外，诸如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制、卫星飞行中的姿态控制、海上钻井平台的稳定控制、飞机安全着陆控制等均涉及到倒立摆的控制问题。 实验中通过检测小车位置与摆杆的摆动角，来适当控制驱动电动机拖动力的大小，控制器由一台工业控制计算机（IPC）完成。实验将借助于“Simulink封装技术——子系统”，在模型验证的基础上，采用双闭环PID控制方案，实现倒立摆位置伺服控制的数字仿真实验。实验过程涉及对系统的建模、对系统的分析以及对系统的控制等步骤，最终得出实验结果。仿真实验结果不仅证明了PID方案对系统平衡控制的有效性，同时也展示了它们的控制品质和特性。 第一部分单阶倒立摆系统建模 （一） 对象模型 由于此问题为”单一刚性铰链、两自由度动力学问题”，因此，依据经典力学的牛顿定律即可满足要求。 如图1.1所示，设小车的质量为0m ，倒立摆均匀杆的质量为m ，摆长为2l ，摆的偏角为θ，小车的位移为x ，作用在小车上的水平方向上的力为F ，1O 为摆杆的质心。 图1.1 一阶倒立摆的物理模型 根据刚体绕定轴转动的动力学微分方程，转动惯量与角加速度乘积等于作用于刚体主动力对该轴力矩的代数和，则 1）摆杆绕其重心的转动方程为 sin cos y x l F J F l θθθ=-&& （1-1） 2）摆杆重心的水平运动可描述为 2 2(sin )x d F m x l dt θ=+ （1-2） 3）摆杆重心在垂直方向上的运动可描述为 2 2(cos )y d F mg m l dt θ-= （1-3） 4）小车水平方向运动可描述为 202x d x F F m dt -= （1-4） 2011年全国大学生电子设计竞赛 基于自由摆的平板控制系统（B题） 【本科组】 2011年9月3日 摘要 采用ATmage16 avr单片机作为主控芯片的基于自由摆的平板控制系统。利用高精度的电位器和单片机的片内模数转换器测量自由摆的摆动角度。ULN2003N 达林顿阵列驱动，1/16倍速的减速步进电机控制平板的转动。能够实现根据摆杆角度平板转动相应角度、摆杆摆动一周期平板转动一圈、控制平板使得摆杆摆动时平板上的硬币不滑落、平板上的激光笔在摆杆摆动一定角度后照射到靶子中心线等要求。 关键词：自由摆 AVR单片机电位器减速步进电机 目录 1系统方案 (1) 1.1中央处理器的论证与选择 (1) 1.2电机驱动模块的论证与选择 (1) 1.3摆杆角度测量模块的论证与选择 (2) 2系统理论分析与计算 (2) 2.1系统理论的分析 (2) 2.1.1 摆杆旋转角度的获取 (2) 2.1.2 平板旋转角度的控制 (3) 2.1.3 步进电机转动控制 (4) 2.2摆杆斜角度的计算 (4) 2.3步进电机的计算 (4) 2.3.1 摆杆摆动三周电机的转动 (4) 2.3.2摆动摆杆通过电机控制平板使硬币不从平板上掉落 (4) 2.3.3摆杆固定时控制激光笔 (4) 2.3.4摆杆摆动时电机控制激光笔 (4) 3电路与程序设计 (5) 3.1电路的设计 (5) 3.1.1系统总体框图 (5) 3.1.2 摆杆角度检测子系统框图与电路原理图 (5) 3.1.3步进电机驱动子系统电路原理图 (6) 3.1.4电源 (6) 3.2程序的设计 (7) 3.2.1程序功能描述与设计思路 (7) 3.2.2程序流程图 (7) 4测试方案与测试结果 (9) 4.1测试方案 (9) 4.2测试方式与仪器 (9) 4.3测试结果及分析 (9) 4.3.1测试结果(数据) (9) 4.3.2测试分析与结论 (10) 附录1：电路原理图 (11) 附录2：完整测试数据 (12) 附录3：源程序 (13) 论文题目:温度自动控制系统的设计 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期： 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日 基于自由摆的平板控制系统设计报告 摘要 基于自由摆的平板系统设计是设计基于STC12C5A6S2为核心的控制系统,采用电位器作为角度传感器采集自由摆倾角的信息,采用步进电机作为调整平板，当摆角变化时，电位器传给单片机内部AD一个电压值，单片机通过内部计算，得出角度值，通过角度值，计算出相应指令给传给L298N控制步进电机运转来调整平板，实现平板控制系统与摆杆的协调。 一、系统设计 1.1设计要求 a.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（360o），偏差绝对值不大于45°。 b.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30o～45o间），调整平板角度，在平板中心稳 定放置一枚1 元硬币（人民币）；启动后放开摆杆让其自由摆动。在摆 杆摆动过程中，要求控制平板状态，使硬币在5 个摆动周期中不从平 板上滑落，并尽量少滑离平板的中心位置。 c.用手推动摆杆至一个角度θ（θ在45o～60o间），调整平板角度，在 平板中心稳定叠放8 枚1 元硬币，见图2；启动后放开摆杆让其自由 摆动。在摆杆摆动过程中，要求控制平板状态使硬币在摆杆的5 个摆 动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。 d.如图3 所示，在平板上固定一激光笔，光斑照射在距摆杆150cm 距离 处垂直放置的靶子上。摆杆垂直静止且平板处于水平时，调节靶子高 度，使光斑照射在靶纸的某一条线上，标识此线为中心线。用手推动 摆杆至一个角度θ（θ在30o～60o间），启动后，系统应在15 秒钟内 控制平板尽量使激光笔照射在中心线上（偏差绝对值＜1cm），完成时 以LED 指示。根据光斑偏离中心线的距离计算成绩，超时则视为失败。 目录 摘要…………………………………………………………………第1章任务要求和方案设计…………………………………… 1.1 任务要求……………………………………………………… 2.1 总体方案确定及元件选择…………………………………….. 2.1.1 总体设计框图……………………………………………… 2.1.2 控制方案确定………………………………...…………… 2.1.3 系统组成……………………………………………… 2.1.4 单片机系统……………………………………….. 2.1.15 D/A转换........................................................................... 2.1.5 晶闸管控制………………………………………... 2.1.6 传感器……………………………………………… 2.1.7 信号放大电路………………………………………. 2.1.8 A/D转换……………………………………………. 2.1.9 设定温度及显示……………………………………. 第2章系统硬件设计……………………….…………………2.1 系统硬件框图……………………………………………2.2 系统组成部分之间接线分析…………………………… 第3章系统软件设计…………………………………………. 3.1程序流程图..…………………………………..…………… 第4章参数计算……………………………..………………... 4.1 系统各模块设计及参数计算 4.1.1、温度采集部分及转换部分 4.1.2、传感器输出信号放大电路部分:........................... 4.1.3、模数转换电路部分:............................ 4.1.4、ADC0804芯片外围电路的设计：....................... 4.1.5、数值处理部分及显示部分:............................. 4.1.6、PID算法的介绍....................................: 4.1.7、A/D转换模块.......................................... 4.1.7、A/D转换模块................................... 4.1.8 单片机基本系统调试............................... 4 .1. 9 注意事项：................................................................ 第5章测试方法和测试结果 5.1 系统测试仪器及设备 5.2 测试方法 5.3 测试结果 结束语........................................... 参考文献.…………………………………….……….…………… 基于 PLC 的两轴运动控制系统设计 学生姓名：张坤森 学号：2014062038 指导教师;彭宽栋 专业：机电一体化 杭州科技职业技术学院 摘要：以可编程控制器 PLC 作为运动控制系统的核心，步进电机作为运动控制系统的执行机构，设计了基于 PLC 的两轴运动控制系统；通过 PLC 高速脉冲口输出高速脉冲，实现了单轴运动或者两轴运动；采用触摸屏作为操作面板，建立了友好的人机交互界面。 关键词：机械制造自动化； PLC；步进电机；运动控制 0 前言 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。步进电机开环控制结构简单，可靠性高，价格低。但当起动频率太高或者负载太大，步进电机极易失步。而步进电机闭环控制可以克服以上缺点，提高系统精度和稳定性。在闭环控制系统中，采用增量式编码器作为反馈装置。而 PLC 作为一种工业计算机，具有逻辑控制、步进控制、数据处理、存储功能、自诊断功能、通信联网等功能，而且具有较高的可靠性、较强的抗干扰性、较好的通用性等优点。所以，使用 PLC 控制步进电机，构建两轴运动控制系统，具有重要意义。 1 系统组成 本文所实现的示教与再现功能系统组成框图如图1所示。采用西门 子 S 7-200系列的 C P U226 D C/D C /D CP L C作为主控制器。该 C P U具有 4个最高 20k H z的正交高速脉冲计数器 ,能够对输入的正交编码脉冲信号进行 4分频 [ 5] ; 2个最高 20k Hz 的高速脉冲输出 ;24个输入点和 16个输出点 ; 其布尔型指令执行时间只有 0. 22μ s [ 6] 。 2 系统总体设计 该运动控制系统由触摸屏、 PLC、步进电机驱动器、步进电机、限位开关、急停开关、编码器等组成。操作者通过触摸屏端操作，向PLC 发出控制指令，PLC 根据控制指令和内部梯形图控制相应步进电机动作，步进电机将带动相应的进给轴动作，同时，PLC 将采集与步进电机相连的编码器产生的反馈信号，并将反馈信号返回给触摸屏，以完成整个系统的反馈环节。此外，外部限位开关用于限定运动系统的极限位置，急停开关用于发生突发状况时，立即停止机器，防止伤害或者损失扩大。系统总体设计框图如图 1 单级倒立摆经典控制系统 摘要：倒立摆控制系统虽然作为热门研究课题之一，但见于资料上的大多采用现代控制方法，本课题的目的就是要用经典的方法对单级倒立摆设计控制器进行探索。本文以经典控制理论为基础，建立小车倒立摆系统的数学模型，使用PID控制法设计出确定参数(摆长和摆杆质量)下的控制器使系统稳定，并利用MATLAB软件进行仿真。 关键词：单级倒立摆；经典控制；数学模型；PID控制器；MATLAB 1绪论 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，并主要用于工业控制。 控制理论在几十年中，迅速经历了从经典理论到现代理论再到智能控制理论的阶段，并有众多的分支和研究发展方向。 1.1经典控制理论 控制理论的发展，起于“经典控制理论”。早期最有代表性的自动控制系统是18世纪的蒸汽机调速器。20世纪前，主要集中在温度、压力、液位、转速等控制。20世纪起，应用范围扩大到电压、电流的反馈控制，频率调节，锅炉控制，电机转速控制等。二战期间，为设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统及其他基于反馈原理的军用装备，促进了自动控制理论的发展。 至二战结束时，经典控制理论形成以传递函数为基础的理论体系，主要研究单输入-单输出、线性定常系统的分析问题。经典控制理论的研究对象是线性单输入单输出系统，用常系数微分方程来描述。它包含利用各种曲线图的频率响应法和利用拉普拉斯变换求解微分方程的时域分析法。这些方法现在仍是人们学习控制理论的入门之道。 1.2倒立摆 1.2.1倒立摆的概念 图1 一级倒立摆装置 倒立摆是处于倒置不稳定状态，人为控制使其处于动态平衡的一种摆。如杂技演员顶杆的物理机制可简化为一级倒立摆系统，是一个复杂、多变量、存在严重非线性、非自治不稳定系统。 基于PLC的校园照明智能控制系统设计 ［摘要］目前，大多数校园照明系统仍然使用人工控制，其缺点是控制复杂、修理困难、容易发生误动作。针对这种情况，本设计使用西门子S7-200PLC代替传统的人工控制校园照明系统。采用了PLC智能控制，系统稳定可靠，完全满足学校的照明要求，校园照明系统主要有道路控制输出信号、景观灯输出信号、公共绿地输出信号，根据PLC 控制原理对其进行I/0分配和绘制照明系统流程图及编写校园照明智能控制系统梯形图控制程序。最后经过模拟仿真运行，能够实现当设备发生故障或出现某些不正常运行情况时，由自动控制变换人工控制，在排除故障后再次实现自动控制满足照明智能控制系统的要求。 ［关键词］照明系统；西门子S7-200；输出信号；智能控制 Intelligent Control of Campus Lighting Based on Programmable Logical Controller Electrical Engineering And Automation Specialty* * * Abstract:At present the illumination system of the majority of our campus is still using the traditional manual control system, whose disadvantages are complex control, difficult to repair, prone to malfunction. For this situation, this paper uses the Siemens S7-200 and designs the system to control the campus lighting system instead of traditional artificial control，Programmable Logical Controller intelligent control system was adopted on the new campus, the control system is reliable enough to meet the requirement of campus lighting, The system mainly includes incident the output signal of the road、the decorative lights and the green fields. Which composes the I/0 allocation tables and flowing diagram and the ladder diagram control programs of the illumination system of the campus. Through the simulation, it is able to turn to manual control from the automatic system when the facilities generate the phenomenon of the malfunction and abnormal,the automatic system turn on after people to find and orderly deal with the malfunction ,and fulfills the requirements of the system of the intelligent control. Key words:The illumination system; Siemens S7-200; the output signal; intelligent control 自动控制原理及系统仿 真课程设计 学号：1030620227 姓名：李斌 指导老师：胡开明 学院：机械与电子工程学院 2013年11月 目录 一、设计要求 (1) 二、设计报告的要求 (1) 三、题目及要求 (1) （一）自动控制仿真训练 (1) （二）控制方法训练 (19) （三）控制系统的设计 (23) 四、心得体会 (27) 五、参考文献 (28) 自动控制原理及系统仿真课程设计 一：设计要求： 1、 完成给定题目中，要求完成题目的仿真调试，给出仿真程序和图形。 2、 自觉按规定时间进入实验室，做到不迟到，不早退，因事要请假。严格遵守实验室各项规章制度，实验期间保持实验室安静，不得大声喧哗，不得围坐在一起谈与课程设计无关的空话，若违规，则酌情扣分。 3、 课程设计是考查动手能力的基本平台，要求独立设计操作，指导老师只检查运行结果，原则上不对中途故障进行排查。 4、 加大考查力度，每个时间段均进行考勤，计入考勤分数，按照运行的要求给出操作分数。每个人均要全程参与设计，若有1/3时间不到或没有任何运行结果，视为不合格。 二：设计报告的要求： 1.理论分析与设计 2.题目的仿真调试，包括源程序和仿真图形。 3.设计中的心得体会及建议。 三：题目及要求 一）自动控制仿真训练 1.已知两个传递函数分别为：s s x G s x G +=+= 22132)(,131)( ①在MATLAB中分别用传递函数、零极点、和状态空间法表示； MATLAB代码： num=[1] den=[3 1] G=tf(num,den) [E F]=zero(G) [A B C D]=tf2ss(num,den) num=[2] den=[3 1 0] G=tf(num,den) [E F]=zero(G) [A B C D]=tf2ss(num,den) 仿真结果： num =2 den =3 1 0 Transfer function: 2 --------- 3 s^2 + s基于单片机的智能照明控制系统设计[1]
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