基于自由摆的平板控制系统

B组基于自由摆的平板控制系统参赛学校：参赛学生：指导老师：联系方式：基于自由摆的平板控制系统摘要本控制系统由核心控制模块、角度采样模块、电机驱动模块、液晶显示模块、键盘控制模块等部分组成。

经实验证明本控制系统设计的各项指标都满足大赛的基本部分和核心部分的要求，部分设计实现大赛发挥部分，符合大赛目的。

关键字：STC12C5A60S单片机、角度传感器、L297、L298控制芯片、步进电机。

Abstract一、总体方案比较与论证方案一、方案二、利用STC12C5A60S2单片机作为控制系统，由单片机内部的AD转换模块对角度角度传感器 摆杆θ θ摆杆 平板平板二、各模块设计介绍1、角度采集模块设计根据题目要求，要保持平板平衡，需利用角度传感器随时测量旋转角度，角度传感器和单片机的连接2、键盘控制模块3、核心控制模块本设计的核心控制模块主要是由STC12C5A60S2单片机组成。

图14、液晶显示模块5、电机驱动模块12U1A74LS0734U1B 74LS071110U1E74LS071312U1F74LS07RED1ORANGE2Y E L L O W3PINK4B L U E5STEP MOTOR4 PHASE+12VORANGE PINKYELLOWBLUEREDABCD三、测试方案与测试结果在完成后进行调试时，采用的方法是首先分别调试各单元模块，调通后在进行整机调试的方法。

1、摆杆转动角度的测试。

2、键盘控制模块的调试。

3、液晶显示模块的调试。

4、单片机程序的调试。

5、步进电机转动角度的调试。

6、对设计的整体测试。

四、结论我们的设计利用单片机STC12C5A60S2作为核心控制，通过采集角度传感器的实时电压，利角度传感器采集来的数据和步进电机的状态实时显示在液晶屏上面，以便我们能够对系统的整体运行状态进行监控。

五、参考文献：。

基于自由摆平板的控制系统浙江万里学院罗志强周伟凯张政指导老师胡江王阳摘要本系统基于Altera的MAXII FPGA和新华龙C8051F单片机，采用MMA7455加速度传感器进行摆杆释放感应，由MXD2020EL角度传感器进行数据采集，通过FPGA进行角度值测量，交由MCU进行数据的处理，产生一系列脉冲信号经L298N 驱动使步进电机工作。

通过按键选择完成不同的功能，完成自由摆平板的控制系统。

由于FPGA的测量频率高，并且使用两个传感器的加强了角度测量与定位的准确度，从而测得的角度值精确，操控性能优良，因此系统能够出色完成设计目标。

关键词：角度传感器；FPGA；单片机；电机1.系统方案选择自由摆控制系统主要由:主控模块、角度传感器模块、电源驱动模块、机械结构组成。

方案一：基于单片机为核心的控制系统，利用AD603芯片对电位器角度传感器（模拟型）进行电压采样，再经模数转换，将模拟的角度变为数字信号，通过单片机处理计算输出脉冲驱动步进电机。

方案二：使用基于Altera MAXII系列FPGA和新华龙的C8051主控芯片FPGA 在数据采样方面的优势是单片机无法比拟的，而单片机的数据处理能力FPGA同样无法取代。

两者结合，优势互补。

角度测量采用MXD2020EL，此芯片精确度高，操作简单。

利用MMA7455加速度传感器进行摆杆释放感应，MMA7455是一款数字输出、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度计，具有信号调理、低通滤波、温度补偿、自测、可配置，通过中断引脚检测0g、以及脉冲等功能。

通过FPGA对MXD2020EL角度传感器产生的方波进行采样，转换成数字信号传给MCU。

MMA7455加速度传感器测量失重信号，通过SPI通信直接传给单片机进行数据处理。

通过一系列判断得出摆杆的状态控制步进电机的转动。

出于对可操作性，准确性和测试精度的考虑，我们选择了方案二。

2.理论分析和系统框架本设计通过MXD2020EL角度传感器捕获摆杆角度的变换，而模组可以使用单轴可以测量2个面的倾角±60°及使用双轴测量1个面内的0~360°的倾角，我们这里使用双轴测量一个面内的角。

基于自由摆的平板控制系统本系统以单片机为控制核心，采用增量旋转编码器实时采集自由摆旋转角度及方向，通过步进电机开环控制平板旋转角度，以实现控制要求。

此外，为方便实验和调试，专门设计了独立的单片机角度显示电路。

本设计以旋转编码器的脉冲触发单片机的中断来控制平板角度的调整，这种外部事件驱动的程序设计方法能够及时响应摆杆角度的变化，避免了复杂的定时采样程序设计，总体程序设计简洁，响应时间快，控制精度高。

在激光笔瞄准时采用了查表法，避免了单片机进行复杂三角函数运算造成的舍入误差对实验精度的影响，从而达到了在一个周期里电机精确旋转一周；平板角度调整速度快，8枚硬币滑动小无跌落；实时控制激光笔保持静态水平误差在1cm以内；动态控制误差在2cm以内的实验效果。

关键词:旋转编码器、定时采样、角度采样、精确控制。

一、引言系统设计任务为一种基于自由摆的保持平板平衡的控制系统。

基本要求是保持平板上硬币的平衡滑动小或滑落少，进一步的要求是让平板上激光笔射在靶纸上的光斑偏移量尽可能小。

在实时控制时，对自由摆的摆角、摆速及摆动方向的测量十分关键，平板角度的控制精度和相应速度也直接决定着最终的控制效果，如图1。

图1 单板结构示意图二、系统方案设计1、总体方案选择根据题目要求，摆杆在摆动时，方向不同，要求单片机做出方向判断从而及时调整电机保证平板平衡。

方案一：本方案就是在固定轴上装有微动开关，利用摆杆摆动时的力拨动开关以解决该问题。

优点是：机械装置，无需软件方面的设计，一旦触发可靠性高。

缺点：本身灵敏度不高，在测试中常出现摆动力度太小无法开启开关的现象，影响程序的执行。

方案二：电位器滑动时电压随即变化，可以将角度的变化转化为电压的数值，且两者是一一对应的，这里的电位器起到了角度传感的作用。

优点是：价格优廉。

缺点：精度不够。

方案三：采用增量旋转编码器实时采集自由摆旋转角度及方向，由单片机控制步进电机，使平板实时动态平衡。

优点：精度教高，便于控制。

基于自由摆的平板控制系统（B题）摘要本系统采用STC12C5A60S2单片机作为核心处理芯片，用STC12C5A60S2对电机进行对平板正转，反转的控制。

平板旋转的角度由角度传感器ADXL345完成。

角度量通过IIC总线接口获得，然后再通过分析和判断，再对电机进行控制转动，使的平板保持平衡，从而使硬币不掉落平板。

此外，还用到显示频NOKIA5510显示倾斜角度，和语音模块ISD1420。

AbstractThe system uses stc12c5a60s2monolithic integrated circuits,with a central treatment of electrical stc12c5a60s2the flat is to reverse the control of a flat spin. the angle from the angle sensor adxl345.the angle of the interface by IIC,and then by analysis and assessment,the motor control of a flat,to balance a coin fall,thereby, not flat.in addition,it is also used to show businesses,and shows lean nokia5510 voice module isd1420.关键词：单片机摆动平板角度传感器目录摘要 (1)第一章系统设计及方案论证与比较 (3)1.1系统总体方案设计 (3)1.2方案的设计与论证 (3)1.2.1控制模块的选择 (3)1.2.2电机的选择 (3)1.2.3电机驱动的选择 (3)第二章理论分析及计算 (4)2.1平板状态测量方法 (4)2.2建模与控制方法 (5)第三章电路与程序设计 (5)3.1硬件电路设计 (5)3.1.1主控电路设计 (5)3.1.2步进电机驱动电路设计 (6)3.1.3角度传感器电路设计 (6)3.2软件程序设计流程 (7)第四章测试结果及分析 (7)4.1测试步骤 (8)4.2测试结果 (8)4.3结果分析 (8)结束语 (9)附件一完整的电路原理图 (10)附件二测试结果 (12)附录三重要的源程序 (13)第一章系统设计及方案论证与比较1.1系统总体方案设计根据题目给定的条件，我们设计的方案总体上由单片机系统模块，电机控制模块，语音模块和传感器模块四部分组成。

基于自由摆的平板控制系统————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：基于自由摆的平板控制系统（B题）摘要本系统采用STC12C5A60S2单片机作为核心处理芯片，用STC12C5A60S2对电机进行对平板正转，反转的控制。

平板旋转的角度由角度传感器ADXL345完成。

角度量通过IIC总线接口获得，然后再通过分析和判断，再对电机进行控制转动，使的平板保持平衡，从而使硬币不掉落平板。

此外，还用到显示频NOKIA5510显示倾斜角度，和语音模块ISD1420。

AbstractThe system uses stc12c5a60s2 monolithic integrated circuits, with a central treatment of electrical stc12c5a60s2 the flat is to reverse the control of a flat spin. the angle from the angle sensor adxl345. the angle of the interface by IIC, and then by analysis and assessment, the motor control of a flat, to balance a coin fall, thereby, not flat. in addition, it is also used to show businesses, and shows lean nokia5510 voice module isd1420.关键词：单片机摆动平板角度传感器目录摘要 (3)第一章系统设计及方案论证与比较 (5)1.1系统总体方案设计 (5)1.2方案的设计与论证 (5)1.2.1控制模块的选择 (5)1.2.2电机的选择 (5)1.2.3电机驱动的选择 (5)第二章理论分析及计算 (6)2.1平板状态测量方法 (6)2.2建模与控制方法 (7)第三章电路与程序设计 (7)3.1硬件电路设计 (7)3.1.1主控电路设计 (7)3.1.2步进电机驱动电路设计 (8)3.1.3角度传感器电路设计 (8)3.2软件程序设计流程 (9)第四章测试结果及分析 (9)4.1测试步骤 (10)4.2测试结果 (10)4.3结果分析 (10)结束语 (11)附件一完整的电路原理图 (12)附件二测试结果 (14)附录三重要的源程序 (15)第一章系统设计及方案论证与比较1.1系统总体方案设计根据题目给定的条件，我们设计的方案总体上由单片机系统模块，电机控制模块，语音模块和传感器模块四部分组成。

A 题基于自由摆的平板控制系统一、任务设计并制作一个自由摆上的平板控制系统，其结构如图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，平板固定在电机转轴上；当摆杆如图2 摆动时，驱动电机可以控制平板转动。

二、要求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（360º），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。

（3 ）用手推动摆杆至一个角度θ（θ在45 º～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。

2．发挥部分（1）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。

（2 ）在上述过程完成后，调整平板，使激光笔照射到中心线上（可人工协助）。

启动后放开让摆杆自由摆动；摆动过程中尽量使激光笔光斑始终瞄准照射在靶纸的中心线上，根据光斑偏离中心线的距离计算成绩。

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。

基于自由摆的平板控制系统最终年全国大学生电子设计竞赛HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】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基于自由摆的平板控制系统（B题）【本科组】1系统方案本系统主要由中央处理器模块、电机驱动模块、摆杆角度测量模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

中央处理器的论证与选择方案一：目前应用很广泛的51系列单片机。

该系列的单片机具有价格低廉、性能稳定、技术成熟等特点。

但缺点也很明显，运行速度不是很快，而此次设计应需要较为复杂的运算，所以可能达不到要求。

方案二：AVR系列的单片机。

该系列单片机较于早期的51单片机，片内资源更丰富，接口也更强大，同时采用的是RISC精简指令集，在运行速度上较与51有绝对的优势。

而价格低廉的优势也同样存在。

方案三：ARM处理器。

ARM处理器主要应用于嵌入式系统的开发，支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，兼容性好，大量使用寄存器执行速度快。

单从性能上讲，AMR绝对强与AVR与51，但其价格昂贵，并不是很适合本次设计。

因此次设计需要设计加速度传感器对于角度的计算，需要较大的计算量，且系统对于精度的要求较高，故选择方案二。

电机驱动模块的论证与选择方案一：L298H桥式驱动芯片。

该芯片具有性能稳定、控制灵活、输出电流大等特点，可以很方便控制直流电机的转动方向。