第五组基于自由摆的平板控制系统修改.doc.doc

2012山东省大学生电子设计竞赛论文 题目:基于自由摆的平板控制系统 论文编号： 参赛学校： 青岛工学院 参赛学生： 联系方式 指导教师： 二〇一二 年 九 月基于自由摆的平板控制系统 摘要：根据题目要求，本设计采用EasyARM1138单片机进行控制；主要以EasyARM1138为控制核心，双中英文液晶显示作为显示模块。并采用高精度WDS35D4导电塑料角位移传感器实时监测摆杆和平板角度，A/D采样将信息反馈给单片机。单片机通过THB6128单轴细分驱动器驱动步进电机控制平板转动。摆动摆杆，单片机控制平板转向和转角，使硬币在摆杆摆动过程中与平板保持相对静止，并使激光笔按照题目要求打到极光接收靶。通过硬件设计和软件编写，实现自由摆平板控制系统的基本要求和题目发挥部分的要求。 关键词：LM3S1138单片机 WDS35D4导电塑料角位移传感器 自由摆 42BYGHW609步进电机 方案论证与设计 方案论证与选择 控制器的论证与选择 方案一：采用AT89C51单片机，可编程实现各种基础控制算法和逻辑，价格低廉；但其处理速度较慢，存储空间小，功能简单，精度低。 方案二：采用EasyARM1138单片机，先进的32位ARM CorterTM—M3 CPU处理器，50Hz高速运行频率，极高的运算能力和中断响应能力。具有性能高、速度快、功率小、性价比高等特点，降低32位ARM的入门门槛，调试简单。 综上所述，本设计方案选择方案二，采用EasyARM1138单片机。 电机驱动电路论证与选择 方案一：采用L298N电机驱动电路，内含4通道逻辑驱动电路。但当电机相序转换造成冲击和惯性，电机转子在平衡位置反复震荡，影响运行精度，并产生比较大的噪声。 方案二：采用THB6128单轴细分驱动电路，将电机的固有步距角细分成若干小步的驱动，通过驱动器精度控制步进电机的相电流。多种高细分，满足不同的转速需要，电机运行的平稳，控制灵活。最终实现电机运行稳定，无噪声，节能低功耗，不失步。 综上所述，本设计方案选择方案二，采用THB6128单轴细分驱动电路。 系统设计方案 系统结构设计 摆杆的一端通过转轴固定在支架上，另一端固定安装一个步进电机，平板固定在步进电机转轴上，驱动步进电机控制平板转动，在平板下方固定一激光笔。摆杆两端分别装置一个角度传感器，测量摆杆摆角和平板转角。在距摆杆150cm处放置以一激光接收板。系统结构图如图1所示。 图1系统结构图 系统控制设计 单片机通过角位移传感器1采集摆杆摆角进行A/D转换，驱动步进电机控制平板旋转合适角度，角位移传感器2采集平板角度经A/D转换后反馈给单片机，单片机根据反馈值对平板角度进行相应调整。总体设计方案如图2所示。 图2 系统来控制总体设计方案 原理分析与硬件电路图 系统控制原理分析 测量平板状态和摆杆摆角 测量当前平板倾角值与角位移传感器两侧电压的A/D采样值对应关系： 表2-1平板角度与电压的关系 角度 -60 -50 -40 -30 -20 0 20 30 40 50 60 电压 404 490 591 673 747 952 1142 1250 1333 1429 1517 图6 平板角度与电压关系折线图 如图6所示，平板倾角与电压呈线性关系。 测量当前摆杆倾角值与角位移传感器两侧电压的A/D采样值对应关系： 表2-2 摆杆角度与电压关系 角度 -60 -50 -40 -30 -20 0 20 30 40 50 60 电压 1798 1892 1992 2077 2167 2343 2525 2627 2715 2815 2906 图7 摆杆角度与电压关系折线图 如图7所示，摆杆摆角与电压呈线性关系。 建模与控制方法 平板倾角 可讲自由摆控制系统简化成理想的单摆系统，设其加速度a，拉力T,支持力N,摆杆下端总质量m,硬币和平板质量M,摆杆倾角为,平板转角r。受力分析如图8： : 图8单摆系统和硬币受力分析 又 (公式3) 要保持硬币在单摆运动过程中不从平板上脱落必须保证平板与摆杆垂直，平板倾角与摆杆摆角相同，才能保证硬币与单摆系统获得相同的加速度。 自由摆周期计算 为控制摆杆摆一个周期，平板旋转一周。需要计算自由摆摆动一个周期的时间T （公式1） 其中摆杆长L为1m,重力加速度g取9.8m/s. 激光打靶电机转角计算 设摆杆倾角为，平板旋转角度为。电机转角计算公式推导为 图9单摆顺时针旋转 单摆顺时针旋转时（如图9）电机转角计算公式为： （公式4） （公式5） 电机转角为（顺时针旋转）。 图10单摆逆时针旋转 单摆逆时