基于自由摆的平板控制系统.doc

2011年全国大学生电子设计竞赛
设计论文
基于自由摆的平板控制系统(B题)
2011年9月3日
摘要
本系统以C8051F410作为自由摆系统的主控制芯片,利用旋转式精密电位器电压的变化来测量摆杆角度,通过对步进电机的调节,实现了平板周期性的自由旋转,硬币的平衡控制,以及激光笔对靶心的直射。系统的摆杆角度量范围为±90度,,测量与控制的速度能够满足实时要求,是理想的控制方案。
关键词:C8051F410,倾角测量,步进电机,单摆
目录
1 方案论证与比较 1
处理器的比较与选择 1
摆角测量方法比较与选择 1
平板控制方法比较与选择 1
2 系统设计 2
总体设计 2
机械结构设计 2
支架设计 2
摆杆设计 2
系统硬件单元设计 3
单片机最小控制单元 3
摆杆位置的测量 3
平板状态控制单元 4
人机接口单元 5
3 软件设计 5
系统初始化 5
步进电机的控制算法 6
步进电机调整值的计算 7
4 系统测试 8
测试数据 8
误差分析 8
5 结论 9
参考文献 9
附录 10
附 1 系统电路原理图 10
附 2 重点部分软件源程序 10
1 方案论证与比较
处理器的比较与选择
方案一:采用传统的8951或8952机型单片机,外接两级运算放大电路放大采集信号,在单片机输入端口外加一路模数转换器AD0838,把测量到的角度转换成数字信号,输入单片机,经过运算控制步进电机的转角,控制平板的转动状态。
方案二:采用C8051F410混合信号微处理器,内部集成采样率200ksps的12位AD、、12位的DA转换器和32K的内部FLASH。
方案一采用传统单片机和设计方法,包含电子设计中的基本步骤,外围接口电路复杂,器件多,焊接和调试工作量大,软件设计繁琐,开发周期长。
方案二使用了集成度较高的处理器,AD、DA和晶体振荡器等都是内部集成,外围接口电路设计简单,而且指令系统中大部分指令都是单周期指令,执行速度快,指令周期短,最高可以运行于98MHz的工作频率,对连续变化的信号处理具有更好的实时性。因此根据大赛时间短、任务重的情况,我们采用方案二中的混合信号处理器。
摆角测量方法比较与选择
单摆在摆动过程中,下端的平板也做连续的变化,且系统要求能够测量摆杆的位置并控制平板的状态,一般的角度传感器采样周期较长,反应速度较慢,高精度高速的角度传感器在比赛期间内不易找到,普通的又不能实时控制平板的平衡状态。
若使某种机械装置能与摆杆同步变化,且变化量易于测量,则可近于连续的测的单摆的当前摆动状态及平板的当前偏离状态,测量精度得以保证,控制更加有效。
鉴于此,本系统的测量部分使用旋转式电位器,它的转动与摆杆的摆动相同步,电位器上的电压变化反映了摆杆的当前位置,即单摆的摆角,再根据系统的不同功能,计算出平板的调整值,进而控制步进电机达到控制平板的目的。
平板控制方法比较与选择
自由摆在震动过程中,由于受到重力作用,摆杆的角速度与时间不是线性关系,而底端平板的调节必须根据摆杆角度来做相应的调整,所以,平板的调节速度也不是线性的
在平板转动过程中,由于角度在不断变化,且变化角度是非线性关系,故测回来的转角也不是线性变化的。但是单摆的摆动速度不是很快,并且单片机的计算速度比较快,用拉格朗日插值法计算过程复杂,延时较长,不利于实时控制,故本系统采用线性插值的方法对步进电机进行控制。
先将测得的值进行整型处理并取其绝对值,再在插值表中比较出与该值最接近的给定值,根据线性插值定理可计算出当前角度和变化率下的步进电机转动的节拍数,再由机械几何结构计算出平板转动的精确位置。
2 系统设计
总体设计
自由摆系统中,摆杆在静止时的状态,将平板调节到水平,我们将该状态设定为系统控制的初始状态,后期的平板调节角度就以该初始状态作为计算基准。摆杆摆动时会同步的带动电位器旋转,电位器的旋转就会引起电位器滑动端输出电压的变化,将这个变化的电压经过信号处理后送入单片机的AD输入引脚,这样经过单片机内部的AD转换器,就会得到一系列变化的AD码。在本系统中,摆杆所在不同的位置的会得到不同的AD码,但是每一个AD码会与摆杆的某一固定位置相对应,这样,程序就可以根据采集到的不同AD码来控制步进电机,调节旋转平板的角度,以实现设计中的不同要求。
系统运行的不同功能可以通过按键进行选择,这里采用通用的4按键设计,所有的功能选择与系统运行状态可以通过液晶屏