基于自由摆的平板控制系统

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1、2011年全国大学生电子设计竞赛设计（论文）报告基于自由摆的平板控制系统（日期）2摘要摘要：本自由摆的平板控制系统采用STC12C5A60S2单片机作为主控系统，L298N作为电机驱动模块，STC12C5A60S2单片机通过L298N驱动模块驱PK545-NAC-C29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STC12C5A60S2单片机最小系统，L298N电机驱动电路，N倾角传感器，电源模块等。本设计主要运用STC12C5A60S2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

2、平衡。关键词：STC单片机；L298N电机驱动芯片；传感器2目录目录摘要1目录I1设计任务与要求11.1设计任务11.2设计要求12方案比较与论证22.1主控器的选择与论证22.2电机的选择与论证22.3驱动模块的选择与论证33系统硬件设计33.1总体电路框图33.2单元电路设计43.3整体电路图74系统软件设计74.1总体软件框图74.2各模块软件设计84.3总程序105系统调试与测试105.1测试仪器105.2测试指标105.3测试结果分析116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14i正文设计题目1

3、设计任务与要求1.1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1-21.2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）27正文；启动后放开摆杆让其自由摆动。在摆杆摆动

4、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。1方案比较与论证1.1主控器的选择与论证方案一：采用STC12C5A60S2方案二：采用STC89C52方案三：采用AT89C52方案论证：方案一，STC12C5A60S2芯片价格便宜，应用范围广，功能强大

5、，高速运转，低功耗，强抗静电，强抗干扰，内部集成双串口、8路10bitADC和两路八位PWM；方案二，STC89C52芯片价格便宜，应用范围广，运转速度慢，抗静电抗干扰弱，内部无ADC；方案三，AT89C52芯片价格便宜，应用范围广，运转速度慢，抗静电抗干扰弱，内部无ADC。鉴于设计要求，故采用方案一。1.2电机的选择与论证方案一：采用步进电机方案二：采用直流电机方案三：舵机方案论证：方案一，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，直流电机价格低，调速范围广，易于平滑调节，过

6、载、起动、制动转矩大，难于控制转轴的角度和转速；方案三，舵机价格偏高，性能易受电压影响，控制旋转的角度精确度不高。鉴于设计要求，故采用方案一。27正文1.1驱动模块的选择与论证方案一：采用L298N芯片方案二：采用ULN2803芯片方案三：采用三极管方案论证：方案一，L298N芯片价格便宜，电路设计简单，驱动电流大，足以驱动大功率的步进电机；方案二，ULN2803芯片价格便宜，电路设计简单，驱动电流小，不能驱动大功率的步进电机；方案三，三极管价格便宜，驱动电路设计复杂，不稳定，出问题难于查询。本设计采用PK545-NAC-C29步进电机，故采用方案一。2系统硬件设计2.1总

7、体电路框图为了使系统能够实现各种复杂的控制功能，本设计采用一种功能强大的、高速低功耗性价比高的单片机STC12C5A60S2完成对其他部分控制。本设计采用N倾角传感器对摆杆的倾斜角度的采集数据，通过STC12C5A60S2单片机内部自带的A/D转换将数据送给单片机，单片机通过数据分析控制L298N驱动电路，使步进机旋转保持平板的水平平衡，用1602液晶显示A/D的数据。总体框图如图3-1所示。27正文电源单片机驱动模块步进机液晶显示传感器AD模块图3-1总体框图1.1单元电路设计1、STC12C5A60S2单片机最