2011全国大学生电子设计大赛国家一等奖(B题).doc

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题） 【组】 20年9月日 摘 要 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。 关键字：外部事件驱动程序设计 旋转编码器 平板精确控制 目 录 1系统方案 1 1.1.1控制器选用 2 1.1.2控制系统方案选择 1.2 角度测量模块的论证与选择 2 1.3 步进电机及其驱动模块的论证与选择 2 2 系统理论分析与计算 2.1 自由摆平板控制系统的分析....................................3 2.1.1自由摆平板系统模型建立 4 2.1.2角度测量原理分析 5 2.1.3平板角度的分析 5 2.2角度测量的计算 2.2.1单位脉冲转过角度计算 7 2.2.2编码器可行性计算 7 2.3 步进电机模块的论证分析......................................7 2.3.1步进电机节拍数与螺旋码盘输出脉冲之间关系 7 2.3.2步进电机最大空载启动频率分析与计算 7 3电路与程序设计 3.1电路的设计 3.1.1系统总体框图 3.1.2整体电路原理图 3.1.3 显示子系统框图与电路原理图 3.2程序的设计 3.2.1程序功能描述 3.2.2具体的程序 12 4测试方案与测试结果 4.1测试方案 13 4.2 测试条件与仪器 13 4.3 测试结果及分析 14 4.3.1测试结果(数据) 14 4.3.2测试分析与结论 16 实验总结 16 参考文献 17 附录1：电路原理图 附录2：源程序 附录： 22 基于自由摆的平板控制系统 （B题） 【组】 1系统方案模块模块 图一 系统组成框图 1.1 主控制器件的论证与选择 方案一：方案二：方案三： 1.2 角度测量获取模块的论证与选择 方案一：方案二： 方案三：光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。 综合以上三种方案，择方案三。 1.3 步进电机及其驱动模块的论证与选择 采用 2系统理论分析与计算 2.1 自由摆平板控制系统的分析 图二 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：，得出 在θ不超过60°，l=1.0m的情况下。计算得v=2.236m/s，由角速度与线速度之间的关系，得出= =2.236rad/s=128/s ②自由摆周期计算 根据单摆的周期计算公式 ； 得单摆周期T=1.986ms （2）使硬币不滑落的模型分析 在自由摆在一个小角度时摆动时，自由摆运动模型便是一个化为物理单摆模型。因在实际中自由摆臂质量集中在端点的电机上，受力分析如图三所示。 图三 硬币受力模型 硬币受到重力mg，板的支持力合外力方向垂直与摆臂，大小为F合。 根据单摆的物理规律平板随自由摆摆臂运动的加速的a方向将始终垂直与摆臂，为保证平板上硬币不会滑落平板需要保证硬币在沿平板方向上没有分力的作用，也就是硬币与平板是没有摩擦力的。也即平板对硬币力的作用方向始终在垂直于平板方向上， 当摆角30°-45°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，而要保证硬币不从平板上滑落则需要平板尽快保持与自由臂垂直，因此在放开平板时需要让平板带动硬币尽快达到与自由臂垂直位置。 2.1.2 判断正反转原理分析 角度测量模块由高精度旋转编码盘构成，编码盘转轴随自由摆旋转臂转动，当旋转臂摆过一个角度后旋转编码盘将输出一串脉冲通过对脉冲的计数可以算出转臂摆过的角度。 旋转编码的输出信号A、B时序图如图四所示。 当转轴正转时A相输出脉冲超前B相输出脉冲，反转时则相反。通过单片机检测A、B相输出脉冲的相位关系可以精确地判断