基于自由摆的平板控制系统

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1、2012山东省大学生电子设计竞赛论文题目:基于自由摆的平板控制系统论文编号：参赛学校：参赛学生：联系方式指导教师：二〇一二年九月基于自由摆的平板控制系统基于自由摆的平板控制系统摘要：根据题目要求，本设计采用EasyARM1138单片机进行控制；主要以EasyARM1138为控制核心，双中英文液晶显示作为显示模块。并采用高精度WDS35D4导电塑料角位移传感器实时监测摆杆和平板角度，A/D采样将信息反馈给单片机。单片机通过THB6128单轴细分驱动器驱动步进电机控制平板转动。摆动摆杆，单片机控制平板转向和转角，使硬币在摆杆摆动过程中与平板保持相对静止，

2、并使激光笔按照题目要求打到极光接收靶。通过硬件设计和软件编写，实现自由摆平板控制系统的基本要求和题目发挥部分的要求。关键词：LM3S1138单片机WDS35D4导电塑料角位移传感器自由摆42BYGHW609步进电机基于自由摆的平板控制系统1方案论证与设计1.1方案论证与选择1.1.1控制器的论证与选择方案一：采用AT89C51单片机，可编程各种基础控制算法和逻辑，价格低廉。但其处理速度较慢，精度低，存储空间小，功能简单，需要增加A/D转换器和PWM波等外设硬件辅助模块。方案二：采用EasyARM1138单片机，极高的运算能力和中断响应能力。充足的外部

3、引脚，拥有多个模拟比较器、多路PWM、多通道A/D转化器等丰富的外设资源。性能高、速度快、功率小、性价比高，调试简单。综上所述，因为基于自由摆的平板控制系统需要单片机进行A/D采样并进行数据处理，而且需要PWM波驱动电机，所以本设计方案选择方案二。1.1.2电机论证与选择方案一：采用直流电机，输出或输入为直流电能的旋转电机，实现直流电能和机械能互相转换。虽然直流电机调速性能优越，但它换向困难，易产生火花，寿命短，需经常维护，价格昂贵。方案二：采用步进电机，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。步进电机具有优秀的起停和反转响应，精度高、误差低

4、，无电刷可靠性高、寿命长。它的响应仅由数字输入脉冲确定，可采用开环控制，结构简单、控制成本低。综上所述，因为本控制系统需要通过电机精确的控制平板角度，并且步进电机比直流电机性价比高，所以本设计方案选择方案二。1.1.3电机驱动电路论证与选择方案一：采用L298N电机驱动电路，内含4通道逻辑驱动电路,两个H桥高电压大电流双桥式驱动器。但当电机相序转换造成冲击和惯性，电机转子在平衡位置反复震荡，影响运行精度，并产生比较大的噪声。方案二：采用THB6128单轴细分驱动器，将电机的固有步距角细分成若干小步的驱动，通过驱动器精度控制步进电机的相电流。电机运行的

5、平稳，控制灵活，脉冲分辨率高，震荡小。电机运行稳定，无噪声，节能低功耗，不失步。综上所述，电机转角控制需高精度、低震荡，所以本设计方案选择方案二。1.1.4角度传感器的论证与选择方案一：采用加速度计传感器，可测量物体运动所产生的加速度。但加速度计只有在静止状态下测量到的数据比较准确，测量动态角度时需要其他传感器进行补偿。而且步进电机在启动时所产生的加速度会对传感器测量角度产生影响。方案二：采用陀螺仪传感器，获取角速度经积分运算计算角度。1基于自由摆的平板控制系统但它反应时间长，线性度较差，精度低。角速度信号若有微小偏差和漂移，经积分运算后，形成积累误

6、差，误差随着时间延长增加，导致电路饱和，形成错误的角度信号。方案三：采用WDS35D4导电塑料角位移传感器，摆杆和平板转动时会引起电位器阻值变化，电位器输出电压与角位移量成线性关系。分辨率精度高、机械寿命长、功耗小、输出平滑性好，反应时间短，跟踪性强，动态噪声小。综上所述，自由摆系统需要测量精确的、实时跟踪的动态角度，所以本设计方案选择方案三。1.1系统设计方案1.2.1系统结构设计摆杆的一端通过转轴固定在支架上，另一端固定安装一个步进电机，平板固定在步进电机转轴上，驱动步进电机控制平板转动，在平板下方固定一激光笔。摆杆两端分别装置一个角度传感器，测

7、量摆杆摆角和平板转角。在距摆杆150cm处放置以一激光接收板。系统结构图如图1所示。图1系统结构图1.2.2系统控制设计单片机通过角位移传感器1采集摆杆摆角进行A/D转换，驱动步进电机控制平板旋转合适角度，角位移传感器2采集平板角度经A/D转换后反馈给单片机，单片机根据反馈值对平板角度进行相应调整。总体设计方案如图2所示。1基于自由摆的平板控制系统图2系统来控制总体设计方案1原理分析与硬件电路图2.1系统控制原理分析2.1.1测量平板状态和摆杆摆角测量当前平板倾角值与角位移传感器两侧电压的A/D采样值对应关系：表2-1平板角度与电压的关系角度-60-

8、50-40-30-2002030405060电压404490591673747952114212501333