基于自由摆的平板控制系统.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
设计任务 1
设计要求 1
2 方案比较与论证 2
主控器的选择与论证 2
电机的选择与论证 2
驱动模块的选择与论证 3
3 系统硬件设计 3
总体电路框图 3
单元电路设计 4
整体电路图 7
4 系统软件设计 7
总体软件框图 7
各模块软件设计 8
总程序 10
5 系统调试与测试 10
测试仪器 10
测试指标 10
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

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。

【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。

【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,控制旋转的