2011年全国大学生电子设计竞赛论文(B题)(2组)

2011年全国大学生电子设计竞赛论文(B题)(2组) 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】 2012年7月16日 摘 要 本系统以ARM7为核心，采用电位器实时采集自由摆旋转角度及方向，通过步进电机开环控制平板旋转角度，以实现控制要求。此外，为方便实验和调试，专门使用了独立的显示屏显示数据。本设计根据摆杆的角度经过数学关系对平板角度进行调整，这样就需要对电位器的角度进行实时采样。首先测出摆杆的一个周期，从而计算出在一个周期里电机精确旋转一周所需的速度;在释放摆杆的瞬间调整平板的角度，使其与摆杆垂直，8枚硬币滑动小无跌落;在激光笔瞄准时采用了查表法，避免了ARM7进行复杂三角 函 关于工期滞后的函关于工程严重滞后的函关于工程进度滞后的回复函关于征求同志党风廉政意见的函关于征求廉洁自律情况的复函 数运算造成的舍入误差对实验精度的影响，实时控制激光笔保持静态水平误差在1cm以内;动态控制误差在2cm以内的实验效果。 关键字:ARM7 电位器 步进电机 AD转换 I 目 录 1系统 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ................................................................... 1 1.1 主控制器件的论证与选择 ............................................................................................... 1 1.2 角度测量获取模块的论证与选择 ................................................................................... 2 1.3 步进电机及其驱动模块的论证与选择 ........................................................................... 2 2系统理论分析与计算 ......................................................... 2 2.1 自由摆平板控制系统的分析 ........................................................................................... 2 2.1.2 判断正反转原理分析 ........................................................................................... 4 2.2 角度测量的计算 ............................................................................................................... 6 2.2.1 单位脉冲转过角度计算 ....................................................................................... 6 2.2.2 编码器可行性计算 ............................................................................................... 7 2.3 步进电机模块的论证分析 ............................................................................................... 7 2.3.1 步进电机步进数与螺旋编码盘输出脉冲之间关系 ........................................... 7 2.3.2 步进电机最大空载启动频率分析与计算 ........................................................... 9 3电路与程序设计 ............................................................. 9 3.1电路的设计 ......................................................................................................................... 9 3.1.1系统总体框图 .......................................................................................................... 9 3.1.2 L298N驱动电路原理图........................................................................................ 10 3.1.3 电源子系统框图与电路原理图 ........................................................................... 10 3.2程序的设计 ....................................................................................................................... 11 3.2.1程序功能描述与设计思路 .................................................................................... 11 3.2.2程序 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图 ............................................................................................................ 11 4测试方案与测试结果 ........................................................ 15 4.1测试方案........................................................................................................................... 15 4.1测试方案.......................................................................................................................... 15 4.2 测试条件与仪器 ............................................................................................................. 15 4.3 测试结果及分析 ............................................................................................................. 16 4.3.1 测试分析与结论 ............................................................................................... 17 附录1:电路原理图 .......................................................... 19 附录2:源程序 .............................................................. 20 II 基于自由摆的平板控制系统(B题) 【本科组】 1系统方案 系统设计任务为一种基于自由摆的保持平板平衡的控制系统。基本要求是保持平板上硬币的平衡滑动小或滑落少，进一步的要求是让平板上激光笔射在靶纸上的光斑偏移量尽可能小。在实时控制时，对自由摆的摆角、摆速及摆动方向的测量十分关键，平板角度的控制精度和相应速度也直接决定着最终的控制效果。据此，本系统采用以ARM为核心的自由摆控制系统主要由以下几个功能模块构成: 1、ARM控制模块 2、角度测量获取模块 3、平板控制模块 4、电机驱动模块 5、显示屏显示模块 角度测量 获取 ARM控制 数据显示 驱动 平板 控制 图一 系统组成框图 1.1 主控制器件的论证与选择 1.1.1控制器选用 我们选用LPC2131作为控制核心，LPC2131的内核是ARM7TDMI-S核，32位微处理器，8KB的RAM，32KB的FLASH，8个10位A/D通道，2个32位定时器/计时器(带4路捕获和4路比较通道)，具有向量控制器，可配置优先级和向量地址，多个串行接口，多达47个5V的通用I/O口，9个边沿或电平出发的外部中断外部中断。 1 1.1.2控制系统方案选择 方案一:采用在面包板上搭建简易ARM系统 在面包板上搭建ARM系统可以方便的对硬件做随时修改，也易于搭建，但是系统连线较多，不仅相互干扰，使电路杂乱无章，而且系统可靠性低，不适合本系统使用。 方案二:自制ARM印刷电路板 自制印刷电路实现较为困难，实现周期长，此外也会花费较多的时间，影响整体设计进程。不宜采用该方案。 方案三:采用ARM最小系统。 LPC2131包含了按键、A/D、D/A等模块，能明显减少外围电路的设计，降低系统设计的难度，非常适合本系统的设计。 1.2 角度测量获取模块的论证与选择 方案一:采用加速度传感器 加速度传感器采用模拟量输出，需要放大电路及A/D完成角度的测量，由于在传输回路中模拟信号易受干扰，测量结果容易产生误差，通过数字滤波等技术虽然能够在一定程度上消除干扰造成的误差，但是，滤波运算增加了CPU的负荷。 采用增量式光电旋转编码器 方案二: 光电编码器是一种角度(角速度)检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲。旋转编码器具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。但是无法直接读出转动轴的绝对位置信息。 方案三:采用电位器作为角度传感器 自由摆系统的角度测量也可采用可变电阻器。精密的可变电阻器具易获得、价格低廉、重复性高、分辨率高、高频响应特性好、易使用等特点。可变电阻器是模拟信号输出，需要A/D信号的转换。 综合以上三种方案，我们选择方案三。最终我们选择了型号为WDD35的电位器。 1.3 步进电机及其驱动模块的论证与选择 步进电动机的驱动电路采用L298N。L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装，主要特点是:工作电压高，最高工作电压可达46V;输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A;额定功率25W。 最终选定的步进电机型号为42BYGH。该电机为两相步进电机，它的步距角仅为1.8?扭矩为0.50N/m，有较高的空载启动频率，半步驱动后实现0.9?的步距，经理论分析，基本可以满足题目要求。 2系统理论分析与计算 2.1 自由摆平板控制系统的分析 2.1.1 自由摆平板系统模型建立 (1)建立自由摆运动模型，由于系统是由轻杆和步进电机等组成，相较于步进电机，轻杆质量很小，可以近似认为旋转臂重心在平板附近，平板沿半径为L的弧长自由摆动。示意图如图二 2 图二 自由摆模型示意图 ?摆杆在自由摆动的时候，若不计空气阻力及固定点摩擦力的情况下利用能量守恒 12vgL,,2(1cos()),定律有:，得出 ,,,mgLmv(1cos())2 lm,1.0vg,,2(1cos()),在θ不断变化中，的情况下，可计算得，由角速度与线 v速度之间的关系，得出 ,,,vl ?自由摆周期计算 l,,10在摆杆与垂直方向的夹角时，可根据单摆的周期计算公式，但本模T,2,g 10型中角度一般大于，所以我们对周期进行测算，测出不同角度下的周期值 (2)使硬币不滑落的模型分析 在自由摆在一个小角度时摆动时，自由摆运动模型便是一个化为物理单摆模型。因在实际中自由摆臂质量集中在端点的电机上，受力分析如图三所示。 3 图三 硬币受力模型 硬币受到重力mg，板的支持力合外力方向垂直与摆臂，大小为F合。 根据单摆的物理规律平板随自由摆摆臂运动的加速的a方向将始终垂直与摆臂，为保证平板上硬币不会滑落平板需要保证硬币在沿平板方向上没有分力的作用，也就是硬 币与平板是没有摩擦力的。也即平板对硬币力的作用方向始终在垂直于平板方向上， 当摆角30?-45?之间时，经过推算，硬币会受到平板沿平板方向上微弱的分力作用，但是考虑到两者之间的摩擦力作用，静摩擦力要远大于沿平板方向分力作用，是不会使硬币发生位移。因此只要保持平板与摆臂的垂直就能保证硬币不会滑落。 自由臂开始运动时平板保持水平位置，而要保证硬币不从平板上滑落则需要平板尽快保持与自由臂垂直，因此在放开平板时需要让平板带动硬币尽快达到与自由臂垂直位置。 2.1.2 判断正反转原理分析 电位器wdd35精密导电塑料电位器原理分析: 电位器随自由摆旋转臂转动，当旋转至某一角度后电位器将输出一个电压值，而由于精度问题此电压值在一个小范围内变化。电位器输出的电压值与角度呈线性关系，此角度为摆臂与垂直地面方向的夹角。通过对不同角度电压取平均值后进行分析可得其线性关系式，这样使用ADC采样电压值就可以得到此时的角度。 2.1.3 自由摆旋转角度与电机旋转角度关系建模与分析 对于基础部分，为使硬币不从平板上滑落，需要保持平板始终垂直与自由摆臂垂直，而在初始时刻，平板保持水平，与自由摆臂夹角达到30-45?左右，为保证硬币不滑落，需要在自由摆开始摆动时刻步进电机控制平板尽快达到与自由摆臂垂直位置，如下图，转动的角度与摆杆和竖直方向的夹角相同。而在以后的摆动过程中，保持平板方向不变便, 能满足硬币不滑落的要求。 4 图1 对于发挥部分,由图五可知，在摆杆在靠近平板位置: ,,，平板转动的角度为 ,,,分析可得， CMCML,,(1cos),BCAML,,sin,计算:由图可得，，而，，则tan,,,BC L(1cos),,。 tan,,AML,sin, 1cos,,Lm,1.0AMm,1.5将，带入式子中，最终可得。 tan,,1.5sin,, ,0.9要寻找到原来的光斑，由于电机每转一步即转，则电机此时要走的步数为。 0.9的计算由Matlab计算得出。 , 5 图五 自由摆旋转角度与电机旋转角度关系 2.2 角度测量的计算 2.2.1 单位脉冲转过角度计算 5摆杆每隔拉起固定，由LPC2131采集电位器的电压值，经过数学建模对数据进行 处理，如下: 角度值(度) 电压值(毫伏) -60 733 -55 877 -50 818 -45 876 -40 915 -35 969 -30 1023 -25 1065 -20 1121 -15 1165 -10 1221 -5 1272 0 1320 5 1377 6 10 1418 15 1467 20 1520 25 1566 30 1620 35 1676 40 1728 45 1784 50 1834 55 1876 60 1931 由表中数据做出散点图，并给出拟合公式，看散点图易得出角度与电压值之间为线 性关系: y = 9.8828x + 1326.9电位器电压与角度变化2R = 0.9966 2500 2000 1500电压值 线性 (电压值)1000 电压值(毫伏)500 0 -100-50050100 角度值(度) 2.2.2 电位器可行性计算 2R,,0.99661因为拟合公式的拟合度，可以说明该公式十分符合角度与电位器电压值的 关系。 2.3 步进电机模块的论证分析 2.3.1 步进角要求 由于步进电机步进角为1.8?,我们所采用的是步进电机二细分下的，所以最后的送 给电机的单个步进角为0.9?. 理论分析选用步距角0.9?是否正确: 7 Angle(度) Step(步) Deltx(cm) 0 0 0 1 0 -0.0152 2 0 -0.0609 3 0 -0.137 4 0 -0.2436 5 0 -0.3805 6 0 -0.5478 7 0 -0.7454 8 0 -0.9732 9 1 0.8795 10 1 0.5644 11 1 0.2194 12 1 -0.1555 13 1 -0.56 14 2 0.9832 15 2 0.4932 16 2 -0.0261 17 2 -0.5744 18 3 0.7222 19 3 0.0903 20 3 -0.5698 21 4 0.5406 22 4 -0.2012 23 5 0.7806 24 5 -0.0413 25 6 0.815 26 6 -0.0852 27 7 0.6487 28 7 -0.3281 29 8 0.2868 30 8 -0.7645 31 9 -0.2652 32 10 0.1694 33 11 0.5408 34 11 -0.6765 35 12 -0.4123 36 13 -0.2072 37 14 -0.0596 38 15 0.0322 39 16 0.0698 40 17 0.0551 41 18 -0.0103 42 19 -0.1246 8 43 20 -0.2861 44 21 -0.493 45 23 0.6716 46 24 0.3744 47 25 0.0382 48 26 -0.3349 49 28 0.6766 50 29 0.2349 51 30 -0.2367 52 32 0.7081 53 33 0.1866 54 34 -0.3569 55 36 0.5656 56 37 -0.0067 57 38 -0.5922 58 40 0.359 59 41 -0.2309 60 43 0.7909 2.3.2 步进电机最大空载启动频率分析与计算 ,max根据自由摆运动模型可知，平板在最低位置处角速度达到最大值，=128?/s， ,max为保证系统的可靠，要求步进电机最大启动速度能达到2=256?/s，由于步进电机 ,max步进角为1.8?，因此可以算出空载启动频率f=2/1.8=142.3Hz，而我们选用的步 进电机空载启动频率远高于该频率，因此我们选用的步进电机能符合系统要求。 3电路与程序设计 3.1电路的设计 3.1.1系统总体框图 系统总体框图如图六所示: 图六 系统总体框图 9 3.1.2 L298N驱动电路原理图 步进电机系统框图: 电机驱动微控制器步进电机电路 采用L298N驱动芯片。L298N芯片是较常用的电机驱动芯片。该芯片有两个TTL/CMOS 兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性能，可用单片机的I/O口提供信号，电路简单、易用、稳定，具有较高的性价比。具体电路图如图七所示: 图七 电机子系统框图 3.1.3 电源子系统框图与电路原理图 电源子系统框图: 12V5V电源电源转换电路 5V LPC21313.3VLCD电机 3.3V 角度传感器 采用lm2575将输入的12v电压稳压至5V，电路图如下所示: 10 图八 电源子系统电路 3.2程序的设计 3.2.1程序功能描述与设计思路 1、程序功能描述 根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。 1)键盘实现功能:设置频率值、频段、电压值以及设置输出信号类型。 2)显示部分:显示电压值、频段、步进值、信号类型、频率。 2、程序设计思路 3.2.2程序流程图 1、主程序流程图 11 开始 硬件初始化 否 Key1? 否 是 Key2? 任务一 否 是 Key3? 否 任务二 是 Key4? 任务三 是 任务四 2、任务一子程序流程图 12 LED1点亮 否 开始键, 是 设置电机任务 3、任务二子程序流程图 LED2点亮 否 开始键, 是 采集电位器值 否 正向, 是 设置电机任务 设置电机任务 13 4、任务三子程序流程图 LED3点亮 否 开始键, 采集电位器的值 是 根据给定的步数 驱动电机转动 5、任务四子程序流程图 14 电机固定初始 拍 LED4点亮 否 Key4, 是 采集电位器的值 驱动电机转动 4测试方案与测试结果 4.1测试方案 4.1测试方案 (1)硬件测试 采用数字万用表对电路板连接情况测试。 (2)软件仿真测试 通过信号发生器产生周期方波，单片机最小系统对方波信号计数并显示脉冲数。通过比较显示信息与数字示波器显示频率比较。 (3)系统误差测试 系统误差按照系统要求分别测试在一个周期内平板旋转角度、当放一枚硬币时自由摆在30?和45?起始位置摆动时，硬币摆动一周初始位置偏离的距离及自由摆在45?和60?起始位置摆动时，八枚硬币滑落平板的个数。 发挥部分分别测量角度在30?-60?之间各角度下，激光笔光线偏离中心线的距离。 4.2 测试条件与仪器 测试条件:检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。单片机显示脉冲数与信号发生器产生相同时间显示脉冲数相符。 15 测试仪器:量角器、米尺、数字万用表(DT9205)、游标卡尺，铅垂。 4.3 测试结果及分析 (1)多次测量摆杆在不同角度摆动的五个周期值 理论分析:根据物理学中的“摆的等时性原理”，即在不计任何摩擦力情况下， 杆的初始位置不同，完成一次自由摆动的时间(即摆动周期)相同 摆杆长度相同时，摆 10测量方法:每隔拉动摆杆，释放后让其自由摆动，同时用秒表进行计时，摆完五个周期后立即停止计时，由此计算出对应的周期，最后的周期取他们的平均值。测量数据如下: 摆杆初始度数(度) 时间(s) 周期数(个) 一个周期时间(s) 10 9.50 5 1.9 20 9.75 5 1.95 30 9.75 5 1.95 40 9.91 5 1.982 50 9.91 5 1.982 60 10.12 5 2.024 Ts,1.94六组值求出周期平均值为。 误差分析:由于测量时都是由人释放和计时，无法做到完全同步，且摆杆到达最高点也是由人眼识别，不能做到百分百的准确。只能进行多次测量，求取平均值。 (1)多次测量在一个摆动周期内平板转动角度 测试方法:在最低点处保持平板水平，将摆杆拉至最高点，启动电机开始转动8圈后停止，同时让单摆自由摆动8个周期后到达最高点时停止，用量角器测出平板偏离水平的角度。 测量次数 1 2 3 4 5 6 7 8 平板偏离水平的角度 52? 63? 49? 54? 51? 59? 58? 64? 平均误差 6.5? 7.9? 6.1? 6.8? 6.6? 7.2? 7.2? 8.0? 误差分析:该测试方法通过多次测量求均值降低了测试时的系统误差，较为准确的测试出了实验的误差。 (2)1枚硬币滑离中心位置的距离(cm) 测试方法:将摆杆推至一个角度(30?-45?)，在水平的平板上放置1枚硬币，并在白纸上标记其轮廓，启动系统后，观测硬币滑动的距离。 次数 1 2 3 4 5 6 7 8 角度 30? 33? 35? 39? 40? 41? 43? 45? 滑动距离(cm) 0.3 0.3 0.4 0.5 0.6 0.6 0.7 0.8 误差分析:由实验测试结果可以看出，当摆杆起始角度由30?到45?逐渐增大时，硬币滑离中心位置的距离越大(在实验允许的误差之内)，这符合理论分析的结果且符合实际生活规律，达到了预期的实验效果 (3)8枚硬币最底层硬币滑离中心位置的距离及硬币跌落数目 16 测试方法:将摆杆推至一个角度(45?-60?)，在水平的平板上放置1枚硬币，并在白纸上标记其轮廓，启动系统后，观测8枚硬币最底层硬币滑离中心位置的距离及硬币跌落数目。 次数 1 2 3 4 5 6 7 8 角度 45? 48? 49? 52? 53? 56? 57? 60? 滑动距离(cm) 0.3 0.4 0.5 1.2 0.6 0.8 2.8 1.0 跌落数目 0 0 0 1 0 0 1 0 误差分析:由实验测试结果可以看出，当摆杆起始角度由45?到60?逐渐增大时，最底层硬币滑离中心位置的距离越大，当硬币发生跌落时，相应的最底层硬币滑离中心位置的距离也很大，这一结果符合理论分析的结果。 (4)摆杆停留在固定角度(30?-60?)时激光笔瞄准情况 测试方法:在平板上固定激光笔，摆杆停留在固定角度时启动电机，带动平板上的激光笔转动，激光笔光斑离标记中心线处的距离记录如下: 次数 1 2 3 4 5 6 7 8 角度 30? 34? 40? 43? 48? 51? 56? 60? 光斑偏离量(cm) 1.2 0.9 0.7 0.7 0.6 0.6 0.5 0.4 完成时间(s) 3 3 4 4 5 5 5 6 误差分析:由实验测试结果可以看出，当摆杆偏转角度增大时，激光笔距离标记中心线近，光斑偏离量小，但电机需要旋转的角度大，所需的时间长。 (5)摆杆自由摆动时激光笔瞄准情况 测试方法:在平板上固定激光笔，将摆杆推至(30?-60?)处，使光斑指向标记处，启动电机并释放摆杆，观测激光笔随摆杆自由摆动过程中光斑偏离标记处的最大距离。 次数 1 2 3 4 5 6 7 8 右侧释放时起始角度 30? 32? 38? 43? 45? 50? 56? 60? 最大偏离距离(cm) 1.0 1.0 1.3 1.3 1.4 1.5 1.7 1.9 左侧释放时起始角度 30? 35? 37? 45? 48? 52? 57? 60? 最大偏离距离(cm) 1.2 1.2 1.3 1.5 1.5 1.6 1.8 2.0 误差分析:由实验测试结果可以看出，当摆杆偏转角度增大时，对应的光斑偏离标记中心线增大。且摆杆从左边释放时的误差比从右边同样高度处释放的误差大，因屏在右边，所以这一实验结果是可以接受的。 4.3.1 测试分析与结论 根据上述测试数据，由此可以得出以下结论: (1)在一个周期内平板旋转角度误差基本在15?以下，完全能满足设计要求。 17 (2)在摆动一个角度硬币偏离中心位置的距离30?时误差基本保持在5%以内，在45?时偏离中心位置距离变大，但是也都能满足设计要求。 (3)在放置8枚硬币后摆动一个角度,硬币很少滑落。总体来看，控制系统能够达到设计要求。 (4)在30?到60?之间均匀取角度测量激光笔光线与中心线的距离。测量结果偏距均在要求2cm内。 综上所述，本设计达到设计要求。 18 附录1:电路原理图 19 附录2:源程序 /**************************************************************************** * 名称:void main(void) * 功能:主函数,通过循环检测按键执行相应的任务模块 * 入口参数:无 * 出口参数:无 ****************************************************************************/ int main (void) { }. /************************************************************************************* ** 函数名称 :CollectData(uint8 number) ** 函数功能 :进行AD采样,计算平均电压值和角度值,步数 ** 入口参数 :number 需要采集number次求出均值 ** 出口参数 :Angle角度 Step步数 Voltage电压 *************************************************************************************/ void CollectData(uint8 number) { uint32 ad_total1=0,i; uint32 ad_flag1[10] = {0}; //char str[20]; for(i=0;i