基于自由摆的平板控制系统详解.doc

青岛大学全国电子设计大赛 设计报告 题 目 基于自由摆的平衡控制系统 学生姓名 马云开 高原 王世伟 专 业 智能科学与技术 二零一五年六月 摘 要 摘 要：本自由摆的平板控制系统采用STC89C52单片机作为主控系统，L293D作为电机驱动模块，STC89C52单片机通过L293D驱动模块驱步进机，使步进机上的平板随着摆杆的摆动而旋转。硬件部分主要包括STC89C52单片机最小系统，L293D电机驱动电路，MPU6050角度传感器，电源模块等。本设计主要运用STC89寸2单片机控制4相6线步进电机，由单片机产生脉冲信号精确控制步进机的转速和角度，使步进电机上的平板能够随着摆杆摆动而保持水平平衡。 关键词：STC89C52单片机；L293D电机驱动芯片；MPU角度传感器 目 录 摘 要 1 目 录 i 1 设计任务与要求 1 1.1 设计任务 1 1.2 设计要求 1 2 方案比较与论证 2 2.1 主控器的选择与论证 2 2.2 电机的选择与论证 2 2.3 驱动模块的选择与论证 3 3 系统硬件设计 3 3.1 总体电路框图 3 3.2 单元电路设计 4 3.3 整体电路图 7 4 系统软件设计 7 4.1 总体软件框图 7 4.2 各模块软件设计 8 4.3 总程序 10 5 系统调试与测试 10 5.1 测试仪器 10 5.2 测试指标 10 5.3 测试结果分析 11 6 设计总结 11 参考文献 11 附录 12 附录A：电路图 12 附录B：电路板图 13 附录C：元器件清单 13 附录D：总程序 14 设计题目 设计任务与要求 设计任务 1、设计并制作一个自由摆上的平板系统，其结构如图1-1所示。摆杆的一端通过转轴固定在一支架上，另一端固定安装一台电机，平板固在电机转轴上；当摆杆如图1-2所示摆动时，驱动电机可以控制平板转动。 图1-1 图1-2 设计要求 1、控制电机使平板可以随着摆杆的摆动而旋转（3~5周） ，摆杆摆一个周期，平板旋转一周（360o） ，偏差绝对值不大于 45°。 2、在平板上粘贴一张画有一组间距为1cm平行线的打印纸。用手推动摆杆至一个角度θ（θ在 30o～45o间） ，调整平板角度，在平板中心稳定放置一枚 1 元硬币（人民币） ；启动后放开摆杆让其自由摆动。在摆杆摆动过程中，要求控制平板状态，使硬币在 5 个摆动周期中不从平板上滑落，并尽量少滑离平板的中心位置。 3、用手推动摆杆至一个角度θ（θ在 45o～60o间） ，调整平板角度，在平板中心稳定叠放 8 枚 1 元硬币，见图 1-2；启动后放开摆杆让其自由摆动。在摆杆摆动过程中，要求控制平板状态使硬币在摆杆的 5 个摆动周期中不从平板上滑落，并保持叠放状态。根据平板上非保持叠放状态及滑落的硬币数计算成绩。 方案比较与论证 2.1设计要点 要设计基于自由摆的平衡控制系统我们首先想到的是平衡问题，要让摆杆在转动的同时保持平衡状态。所以我们相通过角度传感器来测量角度，通过驱动电机转动来控制摆杆的平衡。 在放硬币时，我们要考虑到速度与惯性对硬币平衡的影响，因此，我们要尽量减轻摆杆质量，较小加速度。 最后，在使激光打在同一个点上时，我们要考虑误差带来的影响，尽量使误差降到最低。 2.2主控器的选择与论证 【方案一】选择AT89C52单片机? 该芯片I/O口多，能够达到控制摆杆转动，电机驱动的要求，价格相对便宜，在此非常合适，又不浪费其它资源。? 【方案二】选择AVR单片机? 该芯片是ATMEL公司研制开发的一种新型单片机，运行速度快，内部资源丰富，驱动能力强，具备多种独立的时钟分频器，在这应用显得有点浪费资源?。? 【方案三】选择STC15F2K60S2单片机? STC15系列单片机是宏晶科技生产的单时/?机器周期(1T)的单片机，是高速/?低功耗/?超强抗干扰的新一代8051?单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12?倍，内部集成MAX810?专用复位电路。4?路PWM,8?路高速10?位A/D?转换,针对电机控制，强干扰场合。在此设计中我们不需要AD转换，用此芯片就有点浪费资源咯。? 经过方案之间的比较，本次设计采用方案一。 2.3电机的选择与论证 【方案一】：采用步进电机 步进电机价格便宜，容易控制，旋转角度于脉冲成正比，每步的旋转角度精确度高，不会将一步的误差积累到下一步，且具有优秀的起停和反转响应； 【方案二】：采用直流电机 直流电机价格低，调速范围广，易于平滑调节，过载、起动、制动转矩大，难于控制转轴的角度和转速； 【方案三】：舵机 舵机价格偏高，性能易受电压影响，