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基于自由摆的平板控制系统报告.doc

基于自由摆的平板控制系统报告

小林 2012-07-26 评分 0 浏览量 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《基于自由摆的平板控制系统报告doc》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含基于自由摆的平板控制系统摘要:本设计以MSP单片机为控制核心采用BYGH的V两相四线混合式制的步进电机制作了一个自由摆上的平板控制系统用高精度数字式符等。

基于自由摆的平板控制系统摘要:本设计以MSP单片机为控制核心采用BYGH的V两相四线混合式制的步进电机制作了一个自由摆上的平板控制系统用高精度数字式倾角传感器CSAC采集摆杆所摆动的角度并将数据传给单片机由MSP单片对数据进行处理并控制步进电机转动相应的角度以实现自由摆上的平板保持水平状态。整个系统主要由摆架框架、数据采集部分、单片机控制系统、电机驱动模块、按键选择五大部分组成。本设计能基本完成在自由摆在摆动过程中对平板的水平控制平板能在自由摆摆一个周期时平板旋转一周偏差的绝对值不大于并能做到在平板上放置~枚硬币时在旋转过程中不滑落。关键词:平衡控制MSP单片机步进电机系统方案实现方法按照题目设计要求本系统采用倾角传感器实现对自由摆所转过的角度进行采样并将数据传送给微控制单元由微控制器对采集的数据进行处理从而得到自由摆所转过的角度再通过几何关系可以算出步进电机应转动的角度从而可以实现由单片机控制步进电机转动一定角度使平板保持水平状态。整个系统构架主要由以下部分组成:自由摆框架:主要有支架、转轴、摆杆、平杆组成转轴主要实现摆杆能自由的摆动平杆则是受控对象由电机实现其水平位置检测系统:主要由传感器测量摆杆与水平线的角度并将其转换成电信号传送给控制器微控制器单元:以单片机为核心对采集到的数据进行计算处理将传感器输入的电信号转换成电机的驱动信号使步进电机转动相应角度电机控制单元:主要实现对平板转动的控制保证其能保持在水平位置。上诉方案的论证如下。方案论证控制器模块根据题目要求控制器主要用于传感器信号的接收与辨认控制电机转动控制模式转换等。对控制器的选择有以下几种方案:方案一:采用ATMEL公司的ATC作为系统的控制单元。ATC是一种带K字节内嵌可编程闪存的低功耗高性能的八位微控制器,看门狗定时器,双数据指针,个位定时计数器,个两级中断源结构,以及掉电模式下的自动保存功能且软件编程灵活、自由度大可用软件编程实现各种算法和逻辑控制但其运算速度还是有点欠缺抗干扰能力一般故不为此系统首选方案。方案二:采用TI公司的MSPG单片机做为系统的微控制单元。MSPG系列单片机能在MHz晶体的驱动下实现ns的指令周期。位的数据宽度、ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加运算)相配合能实现数字信号处理的某些算法。MSPG单片机还是一款超低功耗的单片机其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。基于MSPG在数据运算的速度远超过ATC而且其功耗低、稳定性好其体积也比ATC小得多易于安装所以在这里选择MSPG但片机做为微控制单元。电机模块根据设计要求所选电机应能快速反应精准控制而且还有较大的扭矩对此我们提出了以下方案:方案一:采用减速直流电机控制平板的转角。减速直流电机具有转速快控制简单而且价格低廉便于安装适用于各种复杂环境下但其制动能力差而且很难做到精准的角度控制。方案二:采用型号为BYGH的步进电机控制平板的转角。该型号步进电机由于本次设计要求电机能自由旋转相应的角度反应速度快且制动能力强等特点于是采用方案二。传感器模块传感器是此系统的重要组成部分我们需要利用传感器测得的摆杆摆动的角度来计算出控制电机应旋转的角度从而使平板保持水平传感器的好坏直接决定着这次设计是否否能满足题目要求所以在选取方面应选择精度高抗干扰能力强而且反应迅速的倾角传感器对此我们提出以下方案:方案一:采用飞思卡尔的MMAL倾角传感器。这种传感器也叫加速度传感器是靠感应力来产生输出信号的右三路输出分别表示x、y、z三个方向的受力其受力可以是因重力在各个方向的分量变化测角度就是根据个输出量来计算其倾斜角度的。方案二:采用混合式步进电机高精度双轴倾角传感器SCAT来测量摆杆所摆动的角度。SCAT是基于DMEMS技术的双轴倾角传感器系列具有双极性性能用于水平垂直测量具有低的温度影响高的分辨率低噪声抗干扰能力强等特点是水平测量的理想选择。由于MMAL不能测出静止时摆杆的摆动角度而且在进行计算时导致测得的结果不够精确故选用SCAT角度传感器。电源的设计本次电源设计要求使用V和V的稳压电源故应选择稳压效果好、压降小的稳压芯片。方案一:分别采用V和V稳压芯片、ASM这两款芯片的压差在V稳压效果好典型电路简单等特点。方案二:采用三端可调稳压芯片LMLM系列是美国国家半导体公司生产的A电流输出降压开关型集成稳压芯片它内含固定频率振荡器和基准稳压器(v)并具有完善的保护电路:电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。提供有:V、V、V及可调等多个电压档次产品。由于考虑到用一种型号的芯片就可以实现所需电源的设计而且电源效率较高等特点在此我们选择使用LMS芯片来设计稳压电源。系统设计系统框图根据以上分析论证之后我们设计的系统框图如下所示:图系统框图理论分析与计算系统框图如图所示该系统的工作原理是:摆杆开始自由摆动后通过倾角传感器测得平板所倾斜的实际角度然后将该测得的角度与给定角度(理想值为)进行比较将比较结果传送给MSP微控制器MSP通过计算得到自由摆杆所摆过的角度然后控制步进电机转动相应的角度使平板恢复水平状态。摆杆所转过角度与平板偏离水平角度关系如下图所示:图平杆与自由摆杆角度对应关系即摆杆摆过角度Ф与平杆偏离水平角度α是相等的则在系统初始化阶段应将步进电机调整到零点位置保证步进电机转动的最终角度与零点位置角度之差为α。则此控制方法能实现设计的基本要求:在摆杆自由转动过程中使平杆保持在水平位置。对于发挥部分其控制原理不变只是计算方法有所改变由图知:要使激光笔始终指向A点则平杆所偏离水平位置为角度β有几何关系可知β与Ф的关系为:电路与程序设计电路模块设计电源模块稳压电源采用三端可调稳压芯片LM此款芯片为开关型集成稳压芯片可实现V、V及可调电压等多个电压档次其电路图设计如图所示:图电源模块电阻RPot作用为调节可变输出电压值大小调节范围为V到其V但受到输入电压的限制理论压差为~V发光二极管为电源指示灯二极管D为吸纳二极管起过载和短路保护其最大承受电流能力至少要为最大负载电流的倍如果设计的电源要承受连续的短路输出则吸纳二极管的最大承受电流能力要等于LM的极限输出电流。当调节滑动变阻器时可调节输出电压为V和V给整个系统供电满足设计要求。电机驱动模块本次设计采用L电机驱动芯片来驱动步进电机并使用了TLP光电耦合器其降低了电源的干扰完成电压转换之后需要经过一次光耦模块的处理通过单片机对光耦模块的控制可以及时关断充电电源。对于L芯片其有两路PWM波输入端口及两个全桥式驱动电路输出用来控制两相步进电机非常合适。其电路图下图所示图步进电机驱动电路用A、B来表示IN、IN或者IN、IN则有如下控制方式:倾角传感器模块   倾角传感器理论基础就是牛顿第二定律根据基本的物理原理在一个系统内部速度是无法测量的但却可以测量其加速度。如果初速度已知就可以通过积分计算出线速度进而可以计算出直线位移。所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。当传感器静止时(没有水平或垂直方向的加速度时)重力加速度方向和传感器灵敏轴的夹角就是倾角。为了进行传感器自检和内部校正分别将传感器的MIS, MOSI、SCK, CSB与单片机的P, P, P,P 相连。MISO用于传输传感器内部模数转换器转换的数字数据MOSI与单片机的P 引脚相连用于向传感器发送命令和进行传感器内部自校正使用软件编程通过P 向SCK提供串口通讯脉冲。倾角传感器电路如图所示:图倾角传感器模块电路MSP控制器MSP为此次设计的核心控制器件其既要完成对数据的处理又要对步进电机进行精准的控制由于MSP读运算速度非常快抗干扰性强等特点故非常适合此次控制系统的设计。我们所使用的MSP型号为MSPG其共有个引脚为位超低功耗处理器其内部KFlash、BRAM、位SARAD、支持SPI、IC的USI。有个双向IO口可供使用。其最小系统电路图如图所示:图MSP最小系统软件设计流程图图程序的总设计框图子程序流程图模块一流程图:图自由摆动流程图模块一流程图:图放硬币的自由摆程序模块三的流程图:图始终指向初始位置程序流程图步进电机控制键盘输入MSP控制器倾角传感器LED状态显示AA=HB=L电机正转A=LB=H电机反转A=B电机制动unknown

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