基于自由摆的平板控制系统(最终),2011年全国大学生电子设计竞赛.doc

PAGE PAGE II 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 TOC \o \h \z \u 1系统方案 1 1.1 中央处理器的论证与选择 1 1.2 电机驱动模块的论证与选择 1 1.3 摆杆角度测量模块的论证与选择 2 2系统理论分析与计算 2 2.1 系统理论的分析 2 2.1.1 摆杆旋转角度的获取 2 2.1.2 平板旋转角度的控制 3 2.1.3 步进电机转动控制 4 2.2 摆杆斜角度的计算 4 2.3步进电机的计算 4 2.3.1 摆杆摆动三周电机的转动 4 2.3.2摆动摆杆通过电机控制平板使硬币不从平板上掉落 4 2.3.3摆杆固定时控制激光笔 4 2.3.4摆杆摆动时电机控制激光笔 4 3电路与程序设计 5 3.1电路的设计 5 3.1.1系统总体框图 5 3.1.2 摆杆角度检测子系统框图与电路原理图 5 3.1.3步进电机驱动子系统电路原理图 6 3.1.4电源 6 3.2程序的设计 7 3.2.1程序功能描述与设计思路 7 3.2.2程序流程图 7 4测试方案与测试结果 9 4.1测试方案 9 4.2 测试方式与仪器 9 4.3 测试结果及分析 9 4.3.1测试结果(数据) 9 4.3.2测试分析与结论 10 附录1：电路原理图 11 附录2：完整测试数据 12 附录3：源程序 13 PAGE PAGE 12 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。 1.1 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。 1.2 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。但其价格较高，外接电路较为复杂。 方案二：ULN2003达林顿阵列芯片。ULN2003 是高耐压、大电流复合晶体管阵列，工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关闭状态承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。采用此方案不能控制直流电机的运动方向，但采用步进电机则完全可以控制，且电路极其简单，基本不需要其他外围元器件。相对于L298来说，价格上又有绝对的优势。 方案三：步进电机细分仪。高精度的步进电机细分仪能将驱动电机的电流细分化，不仅能提高步进电机的精度，还能减噪和提高电机运行时的稳定性，驱动上也较普通驱动芯方便，只需给一定频率的脉冲信号即可控制速度。但出于条件限制，我们并有足够的设备，且价格很高，最终还是没选择此种方案。 综合以上三种方案，选择方案二。 1.3 摆杆角度测量模块的论证与选择 方案一：加速度传感器。采用HQ7455-mma7455数字三轴加速度模块。该模块使用和测试方便，可以实现基于运动的功能，也提供I2C和SPI接口，方便与MCU的通讯。将加速度传感器安装在摆杆的尾部，摆杆摆动时根据角速度传感器测量出来的x轴上重力加速度的分量计算出摆杆角度。此种方案经过实验后发现加速度传感器很不稳定，首先是