【2017年整理】基于自由摆的平板控制系统论文.docVIP

基于自由摆的平板控制系统 论文摘要： 我们采用STC89C52单片机控制步进电机，通过IO口输出具有时序的脉冲信号作为步进电机的控制信号。信号经过ULN2003驱动步进电机使其可以带动平板转动。通过角度传感器KMZ41改变步进电机的运行状态，从而对平板的摆动进行控制。 关键字：单片机 步进机 角度传感器 正转 反转 设计任务 基本要求： （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（360°），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30°～45°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45°～60°间），调整平板角度，在平板中心稳定叠放 8 枚 1 元硬币；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摆杆的 5 个摆动周期中不从平板上滑落，并保持叠放状态。 （4）在平板上固定一激光笔，光斑照射在距摆杆150cm距离处垂直放置的靶子上。摆杆垂直静止且平板处于水平时，调节靶子高度，使光斑照射在靶纸的某一条线上，标识此线为中心线。用手推动摆杆至一个角度θ（θ在30°～60°间） ，启动后，系统应在15秒钟内摆杆至一个角度控制平板尽量使激光笔照射在中心线上（偏差绝对值＜1cm），完成时以LED指示。在上述过程完成后，调整平板，使激光笔照射到中心线上（可人工协助）。启动后放开让摆杆自由摆动；摆动过程中尽量使激光笔光斑始终瞄准照射在靶纸的中心线上。 二、系统硬件原理设计 1．系统总体框图 角度传感器 角度传感器 KMZ41 STC 89C52 单片机基本控制系统 LED显示 蜂鸣器 驱动电路 步进机 UZZ9001 系统功能实现的设计 角度采集 KMZ41是利用稀薄镍铁导磁合金的磁阻效应做成的角度传感器。KMZ41片内包含两个相互独立的单臂镍铁导磁合金电阻电桥，两个电桥的放置方向相差45°，各自具有独立的电气特性和机器特性。 UZZ9001是角度信号调理芯片。该芯片将角度传感器KMZ41输出的两个交流信号转换成线性角度信号，并以SPI总线协议兼容的形式输出，并可补偿直流偏移量。UZZ9001内部包含ADC、振荡电路、低通滤波器、ALU、复位电路、控制单元、SPI接口电路。 内部结构如图所示: （2）显示与报警 设计中显示的实现采用LED数码管显示，由STC 89C52单片机P0的8个数据端口与其连接，中间加上拉电阻来完成对实时符合要求的显示。 （3）主控单片机 设计中选用STC 89C52单片机，共有四个8位的I/O口,外加12MHz晶振提供时钟信号，采用上电复位模式，P1口和角度采样传感器通讯，直接输入12位数字量到89C52内进行处理，P3口输出控制信号与外接电机驱动电路来控制步进电机的输入信号，P0口与LED数码显示模块连接，用于实时显示。 P2^3连接蜂鸣器，提示达到指定角度，从而控制摆杆运动。 （4）步进电机 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电动机的转子为多极分布，定子上嵌有多相星形连接的控制绕组，由专门电源输入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。 步进电机根据单片机输出给驱动电路的脉冲信号确定步数，从而随着摆杆摆动调节平板的位置保持水平。步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。故本次试验采用混合二相式，步距角为1.8°。驱动电路为ULN2003.步进机与驱动电路连接图如下： 系统软件原理设计 控制系统加电后主控单片机、LED显示、角度传感器、步进机驱动电路复位，然后程序则开始通过扫描角度传感器KMZ41来实时采集当前角度。控制算法中，当实际角度值达到符合要求的角度时，蜂鸣器提示令摆杆开始摆动。由于摆杆长度不变，摆动周期T不变。在摆杆摆动一