基于自由摆的平板控制系统毕业设计(doc毕业设计论文)

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1、基于自由摆的平板控制系统（B题）摘要本平板控制系统是基于PIC16F877A单片机为主控芯片，将精确电位器与自由摆顶端相连，利用角度和电阻值的一一对应关系，通过单片机采集精确电位器两端电压的变化，转换为角度数在LCD液晶屏上显示，再经过A/D转换后得出步进电机所需要的脉冲数，来控制步进电机的转动,单片机对采集到的电压进行PID控制算法,再通过改变PWM的占空比达到精确控制电机转速的目的。本自由摆的平板控制系统的静态误差≤5°，采用精确电位器来感应摆角的变化这一设计思路也更加简易、准确，是本系统的亮点。当自由摆摆动角度与电机旋转角度差别过大时，能够自动调整至稳定。本系统能够很精确地

2、实现平板的水平控制，是一个很好的自由摆平板控制方案。关键字PIC16F877APID控制算法精确电位器步进电机目录1系统方案的比较与选择31.1控制器的选择31.2算法的选择31.3传感器的选择31.3机械系统的选择32系统理论分析与计算42.1系统总原理框图42.2系统理论分析与设计52.2.1系统设计的总体思路52.2.2分析运算过程53电路与程序设计63.1硬件电路的设计63.1.1PIC16F877A最小系统的组成63.1.2步进电机驱动电路的组成83.2程序的设计83.2.1程序功能描述与设计思路83.2.2程序流程图94测试方案与测试结果104.1测试方案104.2测

3、试条件与仪器114.3测试结果及分析114.3.1测试结果(数据)114.3.2测试分析与结论114.4测试基本要求（发挥）124.5测试原理图（发挥）124.6测试结论及分析（发挥）125结束语13附录1：电路原理图14附录1：源程序14附录2：参考文献171系统方案的比较与选择1.1控制器的选择方案一、采用最简单的51单片机采集电压数据。利用51单片机的优点是价格便宜，使用比较方便，缺点是接口少，使用时需扩展，外围电路比较多，运算处理速度不高，功耗高。方案二、利用PIC16F877A单片机对电压数据等进行处理，处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富、方便高效的开发环境

4、。对于实现本系统的功能绰绰有余。综合比较以上两个方案，本系统选择方案二。1.2算法的选择方案一、采用模糊控制算法,模糊控制有许多良好的特性,它不需要事先知道对象的数学模型,具有系统响应快、超调小、过渡过程时间短等优点，但编程复杂，数据处理量大。方案二、采用PID算法，按比例、积分、微分的函数关系,进行运算,将其运算结果用以输出控制。优点是控制精度高,且算法简单明了。对于本系统的控制已足够精确，节约了单片机的资源和运算时间。综合比较以上两个方案，本系统选择方案二。1.3传感器的选择方案一、利用角度传感器测量自由摆的角度，例如mma7455或者mma7361。角度传感器往一个方向转动

5、时，计数增加，转动方向改变时，计数减少。但是角度传感器的应用电路复杂，数据处理繁琐，编程复杂，而且成本较高。方案二、利用精确电位器与自由摆顶端相连，利用角度和电阻值的一一对应关系，通过单片机采集精确电位器两端电压的变化，来控制步进电机的转动。精确电位器的成本较低，应用电路简单，编程简便，且控制精度和线性度满足系统的要求。综合比较以上两个方案，本系统选择方案二。1.4机械系统的选择：方案一：使用直流电机。特点是驱动简单而且工作稳定，但无法精确控制电机转数，即无法让平板精确定位。方案二：选用步进电机。相比直流电机的工作方式，步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接

6、收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（步进角）。这样我就可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。但步进电机驱动方式较复杂，而且对脉冲的连贯性和准确性要求很高，多个脉冲输入端，要按一定的顺序依次输入正确的电平。一旦顺序错误或者输入电平不正确，会导致电机失步后，完全不能工作。对应本题的要求，精确定位无疑是必要的，而且机电结构相对简单。综合比较以上两个方案，本系统选择方案二。2系统理论分析与计算本平板控制系统是基于PIC16F877A单片机为主控芯片，将精确电位器与自由摆顶端相连，利用角度和电阻值的一一对应关系，通过单片机采集精确电位器两

7、端电压的变化，来控制步进电机的转动,单片机对采集到的电压进行模糊控制算法,再通过改变PWM的占空比达到精确控制电机转速的目的，从而保持平板的平衡。2.1系统总原理框图摆杆角度单片机PIC16F877A精确电位器两端电压值步进电机驱动电路步进电机2.2系统理论分析与设计2.2.1系统设计的总体思路首先，应用数学方法，以支点为参考点，建立方程，推导出自由摆倾斜角与精确电位器两端电压的线性关系。通过单摆的摆动使角度变化，采集精确电位器两端电压的变化，通过AD转换获得所需要的电压变化数字