基于自由摆的平板控制系统设计详解.PDFVIP

基于自由摆的平板控制系统设计 摘要: 本系统采用8位精简指令集高性价比的ATmeag32单片机作为主控芯片，利用步进 电机驱动平板的转动。模拟倾角传感器WQ36-90实现摆杆摆角的测量，三轴数字加速度 传感器MMA7455模块实现平板倾角的测量。利用延时方式对步进电机进行精确无重叠的 控制，配合2个传感使整个系统构成闭环控制系统。系统的功能切换靠4位拨码开关实现， 部分触发功能利用按键进行触发。系统配备LED和蜂鸣器作为声光指示，12864液晶屏用 于显示调整时间和文字提示等功能，整体构成一个良好的人机交互界面。整个系统在程 序的协调下正常稳定的运行，较精确地达到了题目的各项指标要求。 关键字：自由摆控制，ATmeag32，步进电机，倾角传感器WQ36-90，三轴加速度传感器 MMA7455，闭环系统 1 一、方案论证与比较 1．系统控制方案论证与比较 方案一：开环控制方式 系统只采用1 个倾角传感器测量摆杆摆角，再利用三角函数关系得到电机转角，即 平板转角。这种控制方式的主要优点是系统软硬件的设计相对简单，但对于材料形变、 摆杆尺寸及电机安装精度等诸多因素引起的误差系统没有自适应性，难于进行实时校 正。一旦运行时间较长，系统误差积累将导致控制失败。 方案二：闭环控制方式 系统采用2 个角度传感器：一个用于测量摆杆的摆角，另一个用于测量平板倾角。 2 个传感器构成闭环的控制系统，使系统产生的各种误差都能通过2 个传感器的相互对 比校正加以消除，从本质上解决系统误差的影响。 对比以上两方案，考虑到系统控制精度要求高，因此选用方案二构建系统。 2．模块方案论证与比较 2.1 主控芯片 方案一：选用51 系列单片机 51 系列单片机具有开发简单、资料和应用实例丰富、技术成熟以及价格低廉等优势， 但是由于采用的是复杂指令集，限制了其运行速度，并且系统资源很少。片上没有集成 时下常用的 SPI、I2C、ADC 等接口或功能，这大大的限制了它的使用范围。因此，51 单片机只适用于一些精度要求不高，对成本敏感的控制场合。 方案二：选用AVR 单片机 AVR 系列单片机因其较高的性价比，已被广泛应用到多个行业和领域。另外据笔者 了解，国内好多企业在使用AVR 系列单片机，因此对AVR 系列单片机的深入学习，肯定 会对今后的就业提供较大的帮助。在笔者看来其主要有以下显著优点：（1）提供SPI 下 载接口和 JTAG 仿真、下载接口，降低了开发成本和开发难度；（2）精简指令系统，可 适用于高速控制应用场合；（3）内部集成资源较为丰富，如集成的PWM、A/D 模块、多 串口和多定时计数器等；（4）I/O 口驱动能力强，可直接驱动 LED、蜂鸣器和电机驱动 2 器，可简化电路设计，降低系统成本；（5）集成了SPI、I C 等总线接口。 基于自由摆的平板控制系统对控制的精度要求高、数学运算量大、外围芯片和器件 多，需要采用处理速度快的单片机。鉴于以上分析，采用AVR 单片机作为主控芯片。此 2 外，在此之前我们一直用AVR 单片机，对芯片比较了解，用起来相对熟悉。 2.2 倾角测量模块 方案一：加速度传感器 加速度传感器属于一种MEMS 传感器，利用重力加速度在某个方向的分量通过反三角 函数计算出这个方向的倾角。在本系统中，摆杆倾角属于系统核心初级测量参数，其准 确度将直接影响到整个系统的精度和可靠性。利用 c 语言的头文件math 中的反三角函 数，16MHz 晶振的AVR 单片机根据加速度计算倾角至少需要 300us，结合本系统的实时 性要求，它将会影响到系统的动态监控。 方案二：机械电位器 将机械电位器组成串联电阻分压形式，利用机械电位器的工作原理，可实现摆杆倾 角测量。但通过笔者对实验室现有的机械电位器实测，发现其旋钮的旋转角度与阻值的 数学关系较为复杂，而不是简单的线性关系，要在短时间内得到两者间的数学关系，并 非易事，但可作为大赛结束后的一个研究问题，并有一定的工程价值和实际意义。 方案三：倾角传感器 倾角传感器根据其测