基于自由摆的平板控制系统(最终),2011年全国大学生电子设计竞赛

《基于自由摆的平板控制系统(最终),2011年全国大学生电子设计竞赛》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、2011年全国大学生电子设计竞赛基于自由摆的平板控制系统（B题）【本科组】2011年9月3日I摘要采用ATmage16avr单片机作为主控芯片的基于自由摆的平板控制系统。利用高精度的电位器和单片机的片内模数转换器测量自由摆的摆动角度。ULN2003N达林顿阵列驱动，1/16倍速的减速步进电机控制平板的转动。能够实现根据摆杆角度平板转动相应角度、摆杆摆动一周期平板转动一圈、控制平板使得摆杆摆动时平板上的硬币不滑落、平板上的激光笔在摆杆摆动一定角度后照射到靶子中心线等要求。关键词：自由摆AVR单片机电位器减速步进电机I目录

2、1系统方案11.1中央处理器的论证与选择11.2电机驱动模块的论证与选择11.3摆杆角度测量模块的论证与选择22系统理论分析与计算22.1系统理论的分析22.1.1摆杆旋转角度的获取22.1.2平板旋转角度的控制32.1.3步进电机转动控制42.2摆杆斜角度的计算42.3步进电机的计算42.3.1摆杆摆动三周电机的转动42.3.2摆动摆杆通过电机控制平板使硬币不从平板上掉落42.3.3摆杆固定时控制激光笔42.3.4摆杆摆动时电机控制激光笔43电路与程序设计53.1电路的设计53.1.1系统总体框图53.1.2摆杆角度

3、检测子系统框图与电路原理图53.1.3步进电机驱动子系统电路原理图63.1.4电源63.2程序的设计73.2.1程序功能描述与设计思路73.2.2程序流程图74测试方案与测试结果94.1测试方案94.2测试方式与仪器94.3测试结果及分析94.3.1测试结果(数据)94.3.2测试分析与结论10附录1：电路原理图11附录2：完整测试数据12附录3：源程序13I基于自由摆的平板控制系统（B题）【本科组】1系统方案本系统主要由中央处理器模块、电机驱动模块、摆杆角度测量模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1

4、中央处理器的论证与选择方案一：目前应用很广泛的51系列单片机。该系列的单片机具有价格低廉、性能稳定、技术成熟等特点。但缺点也很明显，运行速度不是很快，而此次设计应需要较为复杂的运算，所以可能达不到要求。方案二：AVR系列的单片机。该系列单片机较于早期的51单片机，片内资源更丰富，接口也更强大，同时采用的是RISC精简指令集，在运行速度上较与51有绝对的优势。而价格低廉的优势也同样存在。方案三：ARM处理器。ARM处理器主要应用于嵌入式系统的开发，支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，兼容性好，大量使用寄存

5、器执行速度快。单从性能上讲，AMR绝对强与AVR与51，但其价格昂贵，并不是很适合本次设计。因此次设计需要设计加速度传感器对于角度的计算，需要较大的计算量，且系统对于精度的要求较高，故选择方案二。1.2电机驱动模块的论证与选择方案一：L298H桥式驱动芯片。该芯片具有性能稳定、控制灵活、输出电流大等特点，可以很方便控制直流电机的转动方向。但其价格较高，外接电路较为复杂。方案二：ULN2003达林顿阵列芯片。ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关闭状态承受

6、50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。采用此方案不能控制直流电机的运动方向，但采用步进电机则完全可以控制，且电路极其简单，基本不需要其他外围元器件。相对于L298来说，价格上又有绝对的优势。16方案三：步进电机细分仪。高精度的步进电机细分仪能将驱动电机的电流细分化，不仅能提高步进电机的精度，还能减噪和提高电机运行时的稳定性，驱动上也较普通驱动芯方便，只需给一定频率的脉冲信号即可控制速度。但出于条件限制，我们并有足够的设备，且价格很高，最终还是没选择此种方案。综合以上三种方案，选择方案二。1.3摆杆角度测量模块的

7、论证与选择方案一：加速度传感器。采用HQ7455-mma7455数字三轴加速度模块。该模块使用和测试方便，可以实现基于运动的功能，也提供I2C和SPI接口，方便与MCU的通讯。将加速度传感器安装在摆杆的尾部，摆杆摆动时根据角速度传感器测量出来的x轴上重力加速度的分量计算出摆杆角度。此种方案经过实验后发现加速度传感器很不稳定，首先是在静止状态下震动幅度过大，其次是在运动状态中测量出来的角度不准确，还有严重的滞后问题。基于这些原因，放弃了此种方案。方案二：电位器。随着摆杆转动，利用电位器调制出的电压信号，使用AVR单片机的

8、片内ADC即可读取。具有稳定性好，读出的数值与摆杆角度的线性相关也较吻合。综合考虑采用方案二。2系统理论分析与计算2.1系统理论的分析2.1.1摆杆旋转角度的获取将高精度的电位器安装在摆杆的转轴位置，电位器连接在5V电源上，随着摆杆的摆动，电位器上能产生0~5V的电位差，利用单片机片内的10位ADC即可读取。采集多组读出的AD值和