2011年大学生电子设计竞赛论文《基于自由摆的平板控制系统》

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本帖最后由 seven 于 2019-1-24 14:13 编辑

摘要
本设计针对题目要求,以凌阳公司的SPCE061A单片机为控制器,选择角度传感器测量和控制单摆的摆角和平板的水平角度,通过L298N电机驱动控制步进电机调整平板的角度,完成平板的水平角度操纵和目标的定位,从而完成基于自由摆的平板控制。在过程中,通过61单片机自身携带的小键盘实现不同功能选择,并用LCD液晶显示器来显示相关信息。整个系统的电路结构简单,可靠性能高。实验测试结果表明,该设计能够更好的完成设计要求。

1. 系统方案的选择和论证
1.1系统总方案的确定
根据题目的技术指标和要求,系统可划分为机械部分、控制部分和信号检测部分。具体可分为控制器模块、电机模块,电机驱动模块、信号检测模块、显示模块,键盘模块,模块框图如下所示。为实现对各模块的功能,分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。

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图1 平板车控制系统的基本模块方块

1.2各模块的选择和论证
1.2.1控制器模块论证与分析
方案一:采用ATMEL公司的AT89C51。51单片机软件编程灵活,自由度大,可用软件编程实现各种算法和逻辑控制,成本低,被各个领域广泛应用。但51单片机功耗较高,内存只有8Kb,考虑到本系统软件编程较为复杂,对单片机内存要求较高。
方案二:采用凌阳公司的SPCE061A单片机。它是16位微处理器,具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、中断处理能力强等特点。其次SPCE061A单片机价格便宜,在内部结构和编程方面,61系列单片机都相对简单,容易掌握和使用。SPCE061A内嵌32k字闪存FLASH,有较高的处理速度。
经过反复的比较、论证,综合多方面因素的考虑,并结合本次大赛题目要求,我们决定采用方案二。

1.2.2电机模块论证与分析:
方案一:采用直流电机。若采用直流电机控制平板的运动,直流减速电机力矩大,转动速度快,调速范围广,运转平稳,且直流电机效率高、噪音低、价格较低。但是直流电机制动能力较差,在开环状态下误差大,无法精确控制电机转动的角度,达不到题中所要求的精度。
方案二:采用步进电机。步进电机可以作为一种控制用的特种电机,可以实现物体的精确定位和方向控制。一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积,实现自由摆的精确控制。步进电机具有快速启停能力,如果符合不超过步进电机所能提供的动态转矩值,就能够立即使步进电机启动或反转。使用步进电机控制平板的角度更精确,定位更准确,更符合设计要求。
经过反复的比较、论证,综合多方面因素的考虑,并结合本次大赛题目要求,我们决定采用方案二。

1.2.3电机驱动模块论证与分析
方案一:使用继电器对步进电机控制。通过开关的切换,实现对电机的各相绕组分时通入脉冲达到换向和调速的功能,优点是电路非常简单,缺点是继电器的相应时间慢,机械结构易损坏,寿命较短,可靠性不高。
方案二:采用L298N驱动模块。L298N其成本低廉,功耗低,电路简单,操作方便工作性能稳定,具有良好的抗干扰性能。。用单片机对步进电机进行控制,通过I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号,信号经过芯片L298N驱动步进电机。
经过反复的比较、论证,综合多方面因素的考虑,并结合本次大赛题目要求,我们决定采用方案二。

1.2.4信号检测模块论证与分析
方案一:采用电阻式传感器。电阻式传感器将被测量的变化转换成传感器元件电阻值的变化,再经过转换电路变成电信号输出。它的缺点是有较大的非线性、输出信号较弱,误差较大,达不到设计要求的灵敏度和精确度在本设计中无法准确定位平板的位置。
方案二:采用光电编码器。通过采用光电码传感器可以测到摆角的角度,通过计算可得平板与水平平面的角度。光电编码其灵敏度和线性效果好。精确度高达1/1000,更能适应本题的设计需求。
经过反复的比较、论证,综合多方面因素的考虑,并结合本次大赛题目要求,我们决定采用方案二。

1.2.5显示模块论证与分析
方案一:方案1:采用LED数码管。数码管虽然具备数字接口、单色性好、高频特性好,显示清晰、价格低廉、性价比比较高等优点,但是耗能高,占用大量的I/O口,显示内容单一,信息量小,无法显示字符等缺点。
方案2:采用LCD液晶屏。LCD液晶屏耗电量低,串行通信,占用很少的I/O, 可以显示字符和数字,显示信息量大,且显示效果较好,容易编程实现,、同时液晶屏具有功耗小、体积小、质量轻等优点。
经过反复的比较、论证,综合多方面因素的考虑,并结合本次大赛题目要求,我们决定采用方案二。

2. 系统的硬件设计与实现
2.1系统硬件的基本组成部分
本系统的硬件核心是通过61单片机控制步进电机调整平板的角度,完成平板的水平控制或者目标的定位控制。在此电机控制系统中,我们用单片机控制基于自由摆的平板控制系统,是通过IO口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号,信号经过芯片L298N驱动步进电机。同时用键盘来对系统功能进行选择,并用液晶管显示相关信息,步进电机根据不同选择,相应的实现变速度的正转和反转,从而完成平板的水平控制。

2.2主要单元电路的设计
2.2.1单片机控制电路的设计
SPCE061A是凌阳科技公司推出的16位微控制器。它的其接线比较简单,在在OSCO、OSC1端接上晶振及谐振电容,并在锁相环压控振荡器的阻容输入,VCP端接上相应的电容和电阻即可工作。单片机最小系统就是单片机正常工作所需的最基本外围器件组成的系统。原理图如下:

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图2 61单片机最小系统电路原理图

2.2.2步进电机的单元设计
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在,使得步进电机只有周期性的误差而无累积误差。这一特性是整个系统方案的基础。通过电机驱动电路控制两相步进电机的正转和反转,实现对平板的角度控制。本设计中采用两相四步步进电机控制其精度,驱动电路采用L298N模块。在基于自由摆的平板控制系统的设计中对步进电机的准确控制是本次设计的关键,只有准确地去控制步进电机的转动,才能实现精确定位。

以下两图是我们采用的JL-090103双相四步步进电机电路图以及两相四拍步进电机的工作模式时序图。

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图3 双相四步步进电机电路原理图

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表1 两相四拍步进电机的工作模式时序图

2.2.3电机驱动单元设计
L298N芯片是较常用的电机驱动芯片。该芯片有两个TTL/CMOS 兼容电平的输入,具有良好的抗干扰性能,可用单片机的I/O口提供信号。L298N内含4个驱动通道,输出电流可达4A,具有高电压大电流的全桥驱动芯片,而且还带有控制使能端。L298N驱动电路图如下。

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图4 L298N驱动电路图

2.2.4按键部分的单元设计
按键模块,我们采用61单片机本身配置的小键盘作为控制。共有三个功能按键分别实现三个基本要求功能。功能“选择一”根据自由摆的周期,控制步进电机转动角度,积累周期后反转回然后根据角度传感器调整平板。功能“选择二”,尽可能让板垂直于轴,放置一枚硬币,松手后,每次摆到零点做一次平衡修正。能“选择三”尽可能让半垂直于轴硬币放置在轴处,有一定角度放置,松手后,争取在1\4周期内将板调整到水平,以后每次在最低点调整一次,直至结束。以下为键盘的电路图。

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图5 键盘的电路原理图

2.2.5显示模块单元设计
显示模块我们采用凌阳的SOLC501液晶模组。该模组是凌阳公司的一款128*64点阵的液晶模组,驱动芯片采用的是凌阳SPLC501。模组接口简单,应用方便,功耗低,且可以完成较多液晶特效功能。该液晶模组可以显示字符、汉字、图形等,且灰度编程可调。 将该模组与61单片机相连。用10PIN 的排线将61 板的J9(即IOA 的高八位)对应地接到SPLC501 液晶显示模组的“+” 和“-”,以及其间的DB0~7;要注意电源的正负极。控制线CS1、AO、R/W 和EP 分别用连线与 SPCE061A 的IOB9、IOB4、IOB5、IOB6 相连。

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图6 SPCE061A 与SPLC501的管脚连

2.2.6传感器的单元设计
我们的设计使用三个传感器,两个光电传感器,一个光电编码器。在杆末端安装的光电传感器,用于控制木板和杆的垂直。另一个光电传感器安装在支架的底部,用于判断杆的摆动方向,并清零、启动计数器,这样可以更准确的得到摆角的大小。在杆的顶部安装着光电编码器,用于测量摆杆的角度和速度。

光电编码器,是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器,是目前应用最多的传感器。光电编码器通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外,为判断旋转方向,码盘还可提供相位相差90°的2个通道的光码输出,根据双通道光码的状态变化确定电机的转向。光电编码器符合我们对于控制平板,所需精确和灵敏的要求。
下图是光电传感器和光电编码器的电路原理图。

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图7 光电传感器的电路原理图

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图8 光电编码器的电路原理图

3. 系统的软件设计与分析
3.1系统的算法控制与理论分析
3.1.1基本要求
3.1.1.1理论分析
在理论分析中,可假设由于纸面比较光滑以及多枚硬币质量较重,忽略摩擦力和空气阻力。而硬币与平板本身的厚度与平板被抬起的高度相比,可近似忽略,即硬币与平板的高度相等。假设没有电机驱动作用,且平板与垂杆时刻垂直,在一种理想环境下。在任意一点,设传感器A与传感器B测得该点与地面距离分别为a与b。在不考虑硬币与平板厚度时,硬币的中心与平板的几何中心相重合,如下图,并满足以下公式:

以硬币为研究对象

10.jpg 11.jpg


以平板为研究对象
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根据动能定理,有
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由以上公式可得,在任一时刻,只要让平板垂直于杆时,平板和硬币保持相同的速度和加速度。当硬币和平板从静止开始运动,并时刻保持相同的速度和加速度时,这样可以保持两者的相对静止。

3.1.1.2算法控制
要求一:摆杆的摆动周期由公式算出为2秒,其中π为圆周率,L为摆杆长度,取1米,g为重力加速度。要想控制电机使平板随着摆杆摆一个周期而旋转一周,平板的周期也需为2秒。光电编码器通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。通过光电编码器的测量,反映出电机转速,从而计算出满足条件的电机转速。
要求二、三:把杆拉到一定角度时,将杆调成水平,然后轻轻把硬币放于板上,最后松开按钮的同时(按钮安装在杆的末端),放开平板,这是计算机控制板按预定旋转到平板与杆垂直的角度,并使平板在杆的零位置时为水平方向。

3.1.2.1发挥部分、理论分析

15.jpg     16.jpg


17.jpg

由以上理论计算可知,当垂杆摆角为θ,平板与杆角度为 α时,可以保持激光笔光斑照射在中心线。

3.1.2.1算法控制
要求一:用光电编码器获得杆在任意方向的摆角。当光电编码器的脉冲速度最低时,杆达到最大摆角。根据上述理论分析可知,当垂杆摆角为θ,平板与杆角度为 α时,可以保持激光笔光斑照射在中心线。此时要根据倾角控制步进电机转动,来达到设计要求。
要求二:采用模糊控制通过电机来控制平板角度,最终在规定时间内实现激光笔光斑的定位。

3.2系统流程图

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主程序流程图

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步进电机控制程序流程图  

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调零流程图

4. 系统测试
基本要求

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要求一

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要求二

23.jpg
要求三

发挥部分

24.jpg
要求一

25.jpg
要求二

5. 结束语
本系统以单片机芯片为核心部件,选择角度传感器测量和控制单摆的摆角和平板的水平角度,通过电机驱动控制步进电机调整平板的角度,完成平板的水平角度操纵和目标的定位,从而完成基于自由摆的平板控制,最终完成了竞赛题目中要求的各项任务。在设计过程中。由于时间有限,系统还存在一些误差,存在很多有待改进的地方,在此恳请各位老师批评指正。

在这四天的设计中,我们组三人分工合作,经历了各个模块资料的收集,汇总讨论,确定方案,模块准备,模块调试,模块组合,综合调试的过程。在设计过程中,我们一直本着力求硬件电路简单,充分发挥软件设计的优势,编程灵活方便来满足系统的要求。通过此次比赛,我们学习到了如何发现问题,分析问题,解决问题的一种科学思辨方法,同时增强了实践能力和协作精神。参加电子设计大赛,使理论与实践相结合,以前学过的知识都生动起来,让我们更加热爱电子这门学科,也对我们未来的工作学习有很大的帮助。

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