基于自由摆的平板控制系统—毕业设计论文

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1、基于自由摆的平板控制系统摘要本系统以由msp430F149单片机作为中心控制系统，由角度监测模块、电机驱动模块、液晶显示模块、键盘模块和电源电路组成。角度监测模块采用三轴加速度传感器mma7361，实时测量平板与水平面的角度，通过多次采集取平均值的方法基于倾角转换公式将所采样的数据转换成角度反馈给单片机，从而控制步进电机转动相应的角度，使物体能始终保持平衡，并通过液晶实时显示所转过的角度。电机驱动部分使用SM-202A细分驱动驱动步进电机精确地控制平板转动相应角度。最后通过传感器采集的角度实时控制电机旋转相应角度以使激光笔始终照射在水平线

2、附近。本操作简单，控制界面直观、简洁，经检验系统性能指标达到了设计要求，工作可靠，功耗低，具有良好的人机交互性能。关键词：平衡控制、msp430单片机、角度传感器、步进电机1616目录1、引言.............................................................12、系统方案........................................................12.1控制器模块的论证与选择12.2角度检测模块的论证与选择12.3电机的论证与选择12.4显示模块的

3、论证与选择23、理论分析与设计...........................................23.1摆杆摆一个周期平板转一周23.2硬币不滑落的建模与计算23.3使激光笔始终照射在中心线附近的建模与计算34、电路与程序设计...........................................34.1模块设计34.1.1系统总体框图34.1.2角度检测模块设计44.1.3电机驱动模块设计44.2程序设计54.2.1程序功能描述与设计思路54.2.2程序流程图55、测试方案与测试结果..........

4、..............................65.1测试方案65.1.1硬件测试65.1.2软件仿真测试65.1.3硬件软件联调65.2测试条件与仪器65.3测试结果及分析66、设计总结................................................8附录........................................................916一、引言随着单片机的不断普及，其与传感器的结合也在相关领域应用得越来越广泛，尤其在自动控制领域更是得到了管广泛应用，本系统

5、正是在这样的背景下应用单片机与传感器进行设计制作。二、系统方案2.1控制器模块的论证与选择根据设计要求，控制器主要用于计算平板调整角度、控制电机工作模式、显示摆杆与垂直面夹角及系统完成激光笔照射在中心线上时的声光提示。方案一：采用STC89C51作为系统控制器。它的技术成熟，成本低，引脚较少，硬件布局较简单。STC89C51为八位单片机，数据转换速度慢，且实时性不好，复杂的控制算法难以实现，不利于高精度的控制。方案二：采用TI公司的MSP430f149单片机作为控制器。MSP430系列单片机是16位、RISC、超低功耗的处理器。其超低功耗

6、的架构加上灵活的时钟系统可延长电池的使用寿命；处理能力强，运算速度快，其内部集成了12的AD，并采用了DMA模块，因此其数据传输速度快；且成本低。综合考虑以上两种方案，采用方案二。2.2度检测模块的论证与选择角度检测模块检测平板与水平方向的夹角以及检测摆杆与垂直方向的夹角。方案一：采用mma7361检测。mma7361是一款低功耗、低成本、低姿态微型电容式三轴加速度传感器，具有信号调理，温度补偿，自我测试，MMA7361L包括一个休眠模式，可使用电池供电。方案二：采用AS5040检测。AS5040是由AMSCO公司生产的一种非接触、高分辨

7、力编码、在0º～360º范围内进行角度测量的传感器芯片。但为了测量角度，需要使用两极磁铁，在芯片的中心旋转。这样使得系统更加复杂，且加大了电机负载。综合以上两种方案，考虑成本及功耗等因素，选择方案一。2.3制电机的论证与选择方案一：采用减速电机。减速电机结构紧凑，体积小，承受过载能力强，且能耗低，性能优越，效率高，振动小。但由于机械效率影响，减速电机输出扭矩的增加和电机功率的增加不成正比，易出现死区现象，不利于控制。方案二：使用步进电机。16步进电机的旋转角度正比于脉冲数，精度高且不累计误差，具有较好的位置精度和运动的重复性。另外步进电机

8、的显著特点就是快速启停能力和转换精度高，正反转控制灵活。综合以上两种方案，摆杆在运动过程中需要进行实时检测平板和摆杆的位置，且需要系统启停反应快，故选择方案二。2.4显示模块的论证与选择方案一