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基于自由摆的平板控制系统(完结稿)

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程序源代码.................................................................................................................... 13
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摘要
为了满足自由摆的平板控制系统的设计要求，本系统采用WTH118 的电位器作为执行系统的核心，摆杆发生偏转时，通过其滑动时两端 电压值得变化来反映偏转角度的大小；选用STC12C5A08S2单片机作为 可能控制和处理系统的核心，其内部集成的8路10位A/D转换能方便采 集和转换电位器变化的电压值，且该单片机可针对电机控制，正符合 系统的设计要求，同时其高速、低功耗和超强的抗干扰适合各种场合； 最终使28BYJ_48带减速的步进电机执行并控制平板。基于以上各系 统，单片机通过采集电压值分析并处理、运算输出偏转角度最终控制 电机转动，从而保持平板平衡。
四、系统程序设计.............................................................................................................8 4.1 电动机正反转及速度控制函数........................................................................9 4.2 AD 转换函数..........................................................................................................10 4.3 动态显示函数...................................................................................................... 11 4.4 延时函数................................................................................................................11 4.5 初始化函数........................................................................................................... 11 4.6 主函数.................................................................................................................... 12
五、系统测试及性能分析............................................................................................12 5.1 定点测试................................................................................................................12 5.2 动态性能测试........................................................................................................................ 12 5.3 存在干扰的情况...................................................................................................................12 5.3 性能分析...................................................................................................................................12
一、系统设计思想.............................................................................................................4
二、系统设计方案.............................................................................................................5 2.1 控制模块..................................................................................................................5 2.2 执行模块..................................................................................................................5 2.3 驱动模块..................................................................................................................5
三、系统电路设计.............................................................................................................6 3.1 单片机模块................................................................................................................................6 3.2 角度显示模块....................................................................................................................... 7 3.3 步进电机驱动模块............................................................................................................... 7 3.4 串行通讯模块.......................................................................................................................... 8 3.5 电源模块.....................................................................................................................................8
自动化专业课程设计
题 目:基于自由摆的平板控制系统 姓 名:魏明磊 学 号：2220103917 指导老师：颜德文
目录
摘要...............................................................................................................................2
2
voltage come from WTH118 .This MCU is fit for controlling motor and designing requirement ,and then their high speed、low power consumption and strong anti-jamming are use for variety situations. Stepper motor with deceleration device control and execute board. So MCU control of the motor rotation and keep it balance through collecting voltage and dealing with it based on above systems. Keywords: STC12C5A08S2 SCM，28BYJ_48 stepper motor，WTH118 potentiometer
摆杆摆动
电位器 （角度传感）
STC12C5A60S2 单片机
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基于自由摆的平板控制系统
一．系统设计思想
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。

考虑到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：反映灵敏，精确度
高，价格优廉。
总体框图:
关键词：STC12C5A08S2单片机，28BYJ_48步进电机，WTH118电位 器
Abstract In order to meet requirements of the free pendulum balance control system, we carried out a comparion of the formula of Micro Switch and the program of Angle Sensor and finally defined to use WTH118 as the core of execution system ,and its changed voltage can reflect the deflection angle when pendulum is deflcting ; we selected STC12C5A08S2 as the core of control and process system ,its intergrated A/D conversion is useful to collect and transform the changed

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基于自由摆的平板控制系统

基于自由摆的平板控制系统


四、硬件设计


基本部分电机驱动电路 基本部分电机驱动如下图3-2-1所示，具 体电路见附录，采用L297+L298N作为电 机驱动，这样能够很稳定的使步进电机转 动，从而不易使木板上的硬币掉落。
L297芯片 L298N 步进电机
单片机数据

发挥部分电机驱动方框图如图3-2-2所示，具体 电路见附录，单片机数据通过光电耦合到步进驱 动芯片TB6560AHQ，驱动步进电机转动， TB6560AHQ有细分功能，能够将步进电机转角 进一步细分，本设计采用1/16细分， 42BYGH4604步进电机的最小转动度数为1.8°， 如果细分1/16，最小度数约为0.11°，所以完全 能够满足发挥部分的调整度数。
五、软件设计－基本部分
程序初始化 1602显示

读取加速度a1
延时
再次读取加速度a2
a2-a1>5? YES 电机转动
NO
五、软件设计－发挥部分
程序初始化 按键检测? YES NO
执行第一步
执行第二步
微调模式
检测杆角度 电机调节
按键检测?
按键1 下移激光笔
按键2 跳出微调 软件滤波 显示需转角度 电机转动
二、要求－2．发挥部分



（1）如图2.10.3 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。 （3）其他。
基于自由摆的平板控制系统

基于自由摆的平板控制系统

基于自由摆的平板控制系统摘要本系统主要由主控制电路，电机驱动电路，加速度传感器电路，液晶显示电路，按键切换电路等组成。

主控制电路采用５１单片机控制系统实现不同的功能，电机驱动电路采用芯片ULN２００３控制电机正常工作，加速度传感器采用ADXL３４５测得单摆摇荡所得的摆角控制电机上的平板正常工作，液晶显示电路采用LCD１６０２实时显示X，Y轴上的加速度，按键可以切换系统处于不同的工作状态。

本系统能够实现电机上的平板随着单摆的摆动而旋转，且可以使平板上的硬币不从平板上跌落，并且平板上的激光笔能够在误差允许范围内照射到中心线上。

本系统以ADXL３４５角度传感器为核心，以51单片机为主要控制器，以UL2003为步进电机驱动，根据角度传感器反馈信号对电机旋转角度进行自动调整，使平板始终保持水平状态，从而实现平板与单摆同时旋转一周，且平板上的硬币不会轻易掉下来，同时该系统可以实时显示单摆的加速度和摆角并在液晶LCD1602上显示出来，并具有按键切换各种模式的功能。

关键词５１单片机ADXL３４５步进电机摆角液晶显示一、系统方案论证1.方案选择比较与选择（1）主控芯片选择方案一 FPGA。

FPGA资源丰富，可以实现灵活的调制，但是功耗大，性价比低，造成资源的严重浪费。

方案二51单片机可靠性好，抵抗噪声高于一般的CPU，控制能力强，除了输入输出指令外，判断逻辑指令还有更丰富的条件分支跳跃指令，而且容易扩充。

方案三 MSP430单片机功耗低，处理能力强，片内资源丰富，I/O 口众多，造成浪费。

方案总结：根据实际情况，51x系列单片机性价比最高，而且资源利用率最高，所以本设计选用51单片机。

（2）传感器选择由于系统正常工作时必须实时测量单摆所转过的摆角的大小，控制电机做出相对应的调整，从而可以使平板处于水平状态，所以本设计中我们必须选择正确合适的可以测量角度的传感器。

方案一 ADXL3４5加速度传感器是一款超低功耗的加速度传感器，可以检测X，Y，Z轴的加速度，分辨率高13位，测量范围为±16g(g为重力加速度，单位为m/s^2),可以通过SPI或I2C 数字接口访问。

基于自由摆的平板控制系统郑博文

基于自由摆的平板控制系统郑博文

基于自由摆的平板控制系统摘要本设计主要是研究自由摆的平板控制系统，以STC12C5412AD单片机为主控芯片，结合当代自动控制技术、传感器技术、伺服机控制技术，单片机采集数据并利用PID算法对电机控制，考虑到本系统的定位要求高、稳定性好，在此伺服机选取步进电机；控制简易，准确是本系统的亮点，选用三位的拨码开关，配置工作模式。

为了提高本系统稳定度，倾角传感器角度数据处理运用均值法软件滤波后对数据进行读取。

关键字STC12C5412 倾角传感器步进电机 PID控制算法一、系统方案比较与选择1.1方案一本方案采用TI公司的MSP130F149单片机为控制核心。

角度传感器MMA7455进行数据采集。

用SGS公司的ULN2003芯片驱动步进电机，由于ULN2003芯片只能驱动小型步进电机且MMA7455数据变化太大，不能满足系统要求。

1.2 方案二本方案以高性能单片机C80C51F20为核心处理器，用WDSD4B-5K角度与电压线性关系,通过AD来采样转换所需的数字量，以L297和L298来驱动步进电机，但是L298跟L297不能精确控制系统的平板的运动。

1.3 方案三考虑到系统稳定性、控制精度和速度要求，选择1T模式STC12C5412单片机作为核心处理器，用高精度SCA61T倾角角度传感器的采集角度的数据，步进电机驱动采用东芝公司生产的TBH6016，它的细分功能能够精确控制电机转动角度，对本系统进行控制实现简单与精确。

上面的三个方案都可以实现，由于综合考虑成本和方案的可行性，本系统采用方案三。

二、方案论证与设计2.1 微控制器的选择本系统需要进行大量的信号处理运算，另在控制过程要进行数据的运算，与控制伺服电机采取相应要快。

实现快速的精确的控制，需较高的运算速度的MCU，选用宏晶科技单片机STC12C5412AD作为控制器，由STC12C5412AD单片机，完成数据采集，电机控制，定时计数，信息显示等功能。

基于自由摆的平板控制系统[001]

基于自由摆的平板控制系统[001]

基于自由摆的平板控制系统引言自由摆是一个常见的物理系统，其在控制工程中具有广泛的应用。

本文将介绍基于自由摆的平板控制系统，包括系统的结构、控制器设计、实施与结果分析等内容。

系统结构平板控制系统由一个平板和一个自由摆组成。

平板通过悬臂连接到摆杆，而摆杆则通过铰链连接到固定的支架上。

摆杆上安装有传感器，用于测量摆杆的角度。

控制器根据测量值计算并控制平板的运动。

控制器设计平板控制系统的目标是使得平板保持水平，即控制摆杆的角度。

为了实现这个目标，我们设计了一个基于PID控制器的闭环控制系统。

PID控制器由比例项、积分项和微分项组成，分别负责控制系统的响应速度、稳态误差和稳定性。

比例项比例控制通过将当前误差乘以一个比例增益来产生控制量。

在平板控制系统中，比例项负责响应速度，即控制系统对误差的快速反应。

通过调整比例增益，我们可以控制系统的响应速度，但需要注意的是，如果比例增益设置过大，可能导致系统不稳定。

积分项积分控制通过对误差的累积进行控制。

在平板控制系统中，积分项负责消除稳态误差，即平板保持在水平位置时的偏差。

通过调整积分增益，我们可以减小或消除稳态误差，但需要注意的是，如果积分增益设置过大，可能导致系统不稳定。

微分项微分控制通过对误差的变化率进行控制。

在平板控制系统中，微分项负责增加系统的稳定性，防止系统产生过冲现象。

通过调整微分增益，我们可以控制系统的稳定性，但需要注意的是，如果微分增益设置过大，可能导致系统不稳定。

实施与结果分析为了实施基于自由摆的平板控制系统，我们首先搭建了实验装置，并进行了实验测试。

通过对实验数据的分析和处理，我们得到了系统的动态特性，并据此进行控制器参数的调整。

经过多次调参和测试，我们最终得到了一个稳定且快速响应的控制系统。

在平板保持水平的情况下，我们对系统进行了稳态误差分析，并对控制效果进行了进一步的验证。

结果分析显示，通过PID控制器，我们成功地控制了平板的运动，使其保持在水平位置。