B-基于自由摆的平板控制系统（B题）

基于自由摆的平板控制系统 摘要：本系统以控制驱动模块和MSP430控制单元为核心，实现闭环控制系统。它接同轴电位计反馈的倾角角度数据，进而根据给定的控制算法计算出控制量，控制步进电机的转动，实现自由摆上的平板控制。此外，通过4*4矩阵键盘控制系统实现不同的功能，并且能够显示系统的一些参数，人机交换友好。 关键词：电位计 MSP430 闭环控制 目录 1一、 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 论证与选择 11．题目任务要求及相关指标的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 12．方案的比较与选择 12.1电机的选择 12.2电机驱动模块的选择 22.3角度传感器的选择 22.4 A/D转换芯片的选择 22.5算法的选择 3二、系统总体 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方案及实现方框图 3三、理论分析与计算 31.周期的计算 32.平板转角的计算 4四、主要功能电路的设计 41.电机驱动模块 42.A/D转换电路 5五、系统软件的设计 5六、测试数据与分析 51．使用仪器 52．测试 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 53．测量数据 53.1 转完3-5周平板偏转的角度 63.2 硬币的测试的结果 63.3激光笔光斑的测试结果 64．数据分析 6七、总结分析与结论 6八、参考文献 一、方案论证与选择 1．题目任务要求及相关指标的分析 题目的基本要求是设计并且制作一个自由摆上的平板控制系统，控制电机使平板可以随着摆杆的摆动而旋转（3-5周），摆杆摆一个周期，平板旋转一周。在平板上摆放一枚和八枚硬币，一枚硬币时用手堆动摆杆至一个角度（30°到45°），八枚硬币时，用手堆动摆杆至一个角度（45°到60°）启动系统后，让其自由摆动，在五个周期内，不让平板上的硬币掉下来。 发挥部分要求在平板上固定一激光笔，光斑照射在距摆杆150cm处的靶纸上，摆杆垂直且平行于水平时，调节靶纸的高度，使光斑照射在一条水平线上，用手堆动摆杆至一个角度（30°到60°），启动系统后摆杆静止时，在15s内控制平板尽量使激光笔照射在中心线上，完成时以LED指示。启动系统后摆杆运动时，使光斑始终照射在靶纸的中心线上。 由于本题摆杆做的是自由摆运动，要控制硬币的平衡就要对硬币进行受力分析，找出硬币的平衡条件，所以找到受力平衡条件与摆杆角度之间的关系，根据测得的摆杆角度，控制平板转动，从而使硬币保持平衡。在发挥部分中，平板运动会带动激光笔运动，只要求得激光笔转动的角度与摆杆角度之间的关系，即可使激光笔照射在水平线上。在整个闭环系统中，平板运动通过PID算法控制，使系统能够更好得达到各项指标。 2．方案的比较与选择 2.1电机的选择 方案一：采用直流电机。其中直流电机使用方便，价格便宜，平滑方便，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；调整范围广、过载能力强，但是电机转动的角度不易精确控制，系统稳定性较差，较难达到题目的要求。 方案二：采用步进电机。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（及步进角）。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；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 方案三：采用舵机。控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。体积紧凑，便于安装； 输出力矩大，稳定性好； 控制简单，便于和数字系统接口。  由于舵机和直流电机都不易精确控制角度，很难达到题目精确和稳定的要求，所以我们采用步进电机。 2.2电机驱动模块的选择 方案一：采用L298N驱动芯片。用L298N驱动该四相的步进电机，其输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出的电压，通过单片机对L298N的IN1~IN4口和ENA、ENB口发送脉冲信号来控制电机的转速和方向。 方案二：采用L297驱动器加L298N组成的步进电机控制电路,该电路具有以下优点：使用元件少，组件的损耗低，可靠性高体积小，软件开发简单，并且单片机硬件费用大大减少。L297与L298配合使用控制双极步进电机工作电流可达2.5A， L297的特性是只需要时钟、方向和模式输入信号。相位是由内部产生的，因此可减轻单片机和程序设计的负担。 方案三：采用东芝细分芯片THB7128。它内部集成了细分、电流调节、CMOS功率放大等电路，配合简单的外围电路即可实现高性能、多细分、大电流的驱动电路。且振动低、噪声小、转动平滑。 本系要求电机转动角度小，且平滑，这样可大大提高精度，并且还要保持系统的稳定性，所以我们采用东芝细分芯片THB7128。 2.3角度传感器的选择 方案一：采用倾角传感器SCA100T-D02。SCA100T-D02是一种静态加速度传感器，当加速度传感器静止时（也就是侧面和垂直方向没有加速度），作用在它上面的重力加速度。重力（垂直）和加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角。它测量的角度为X轴和Y轴正负九十度，能够满足题目的要求。 方案二：采用水平角度传感器AS5040。这款芯片是一种非接触、高分辨力编码、在零度到三百六十度范围内进行角度测量的传感器芯片。AS5040是一个完整的偏上系统解决方案，它将霍尔元件、模拟前端和数值信号处理器、接口检录集成在单个芯片中。它提供磁钢和增量信号和绝对角度位置，可以放在芯片的上面或下面。 方案三：采用电位计，利用电位计的线性关系可以换算出单摆摆动的角度，我们采用20K，经过分压，能满足正负60度的要求。 经过讨论，虽然这AS5040款传感器能够满足角度的要求，但是实际不好安装到单摆上，安装不好误差非常大，所以我们小组没有采用此芯片。倾角传感器SCA100T-D02测量的角度不稳定，电机对角度传感器的影响很大。最后我们决定采用电位计，虽然有一定的误差，但是可以做到一定的动态效果。 2.4 A/D转换芯片的选择 方案一：采用MSP430自带的A/D，MSP430自带的12位A/D精度高，速度快， 但是MSP430内部的参考电压不是很准，采样出来的电压与实际电压误差较大，且最大输入电压只能为3.3V。 方案一：采用MAX197芯片，MAX197是12位A/D,转换精度高，速度快，而且转换电压稳定，误差小，输入电压可以达到5V，还可根据条件选择不同输入电压。因为我们使用的角度传感输出电压为0~5V，且采样电压要求很准，因此我们选择MAX197来进行采样。 2.5算法的选择 我们采用PID算法。PID控制是过程控制领域中应用最普遍的控制规律，它是通过改变调节器参数来实现的。 图1典型控制系统结构框图 首先计算控制量的增量： 又可写为： 其中 为第k 次采样时刻的控制信号， 为第K次采样时刻的偏差信号。 、 、 分别为比例系数、积分系数和微分系数。 增大比例系数 ，系统的动作变灵敏，速度加快，稳态误差减小；但振荡次数也会加多，调节时间加长。积分控制使系统的稳定性下降，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。微分控制可以改善动态特性，它对偏差的变化趋势进行超前调整，从而可以有效地提高系统的动态性能，加大阻尼，减小超调量。该方案理论成熟，但是实际实现起来较为复杂，比例，积分，微分三个控制环节的控制系数较难确定，因而调节周期可能会很长。我们通过PID算法使激光笔较快较准确地找回水平线，此方法误差非常小。 二、系统总体设计方案及实现方框图 图 2 系统总方框图 三、理论分析与计算 1.周期的计算 设摆长为 、质量为m的单摆在重力场g中作有摆动，当角度θ较小时，即小于5°时，则有sinθ=θ，此时为单摆运动，运动的周期为 = 。 用积分的方法，可以求出含有第一类椭圆积分的单摆周期公式。由机械能守恒定律可得 其中 是单摆的最大摆角，经过一系列的计算得出大角度（即 ）周期的近似计算公式 。根据角度传感器测量的角度，计算出摆动的周期，从而控制电机，使电机的转一圈使用的时间和摆动的周期相等。 2.平板转角的计算 当手拉摆杆至一定角度 时，要使激光笔重新找回水平线，即经过计算，平板需要转动的角度 。 的符号代表电机转动的方向。 四、主要功能电路的设计 1.电机驱动模块 THB7128内部集成了细分、电流调节、CMOS功率放大等电路，配合简单的外围电路即可实现高性能、多细分、大电流的驱动电路。适合驱动42、57型两相、四相混合式步进电机。在低成本、低振动、小噪声、高速度的设计中应用效果较佳。 THB7128外围电 路简单,通过CLK 图 2 THB7128电路图 直接采用单脉冲和方向信号译码控制模式控制，可实现正反转，通过M1，M2，M3,3位选择设置8档细分控制(1，1/2,1/4,1 /8, 1/16, 1/32, 1/64, 1/128) 2.A/D转换电路 MAX197无需外接元器件就可独立完成A/D转换功能。它可分为内部采样模式和外部采样模式，采样模式由控制寄存器的D5位决定。在内部采样控制模式(控制位置0)中，由写脉冲启动采样间隔，经过瞬间的采样间隔(芯片时钟为2MHz时，为3ms)，即开始A/D转换。在外部采样模式 (D5=1)中，由两个写脉冲分别控制采样和A/D转换。在第一个写脉冲出现时，写入 图4 MAX197电路图 ACQMOD为1，开始采样间隔。在第二个写脉冲出现时，写入控制字ACQMOD为0，MAX197停止采样，开始A/D转换。这两个写脉冲之间的时间间隔为一次采样时间。当一次转换结束后，MAX197相应的INT引脚置低电平，通知处理器可以读取转换结果。内部采样模式的数据转换时序对于模拟到数字量的转换，时序要求非常严格，由于MAX197的数字信号输出引脚是复用的，要正确读出转换结果，时序要求尤其重要。在一次采样开始前，可以通过单片机的8位数据线把这些控制字写入MAX197来初始化相应的参数。然后按照一定的时序进行采样和转换 五、系统软件的设计 针对各种不同的运动方式和功能，我们在主程序设置一个菜单，再由键盘选择选择各种运动，当选择的运动运动完之后，系统将会返回主菜单，一直循环。 图 5 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 六、测试数据与分析 1．使用仪器 秒表、量角器 2．测试方法 首先将摆杆拉到一定角度后释放， 观察平板是否可以随着摆杆的摆动而旋转（3-5周），摆杆摆一个周期，平板旋转一周。然后在平板上摆放一枚和八枚硬币，用手堆动摆杆至一个角度（30°-60°），启动系统后，观察硬币的情况。最后将激光笔固定在平板上，启动系统后，观察光斑是否照射在水平线上，测量出误差。 3．测量数据 3.1 转完3-5周平板偏转的角度 测量次数 1 2 3 4 平板偏转角度 5° 3° 7° 6° 表 1 3.2 硬币的测试的结果 角度 硬币 结果个数 30° 40° 45° 50° 55° 60° 1枚 成功 成功 成功 8枚 4枚 2枚 1枚 1枚 表 2 3.3激光笔光斑的测试结果 角度 硬币 结果个数 30° 40° 45° 50° 55° 60° 静态（cm） 0.3 0.7 0.5 1 1.3 2 动态（cm） 4 4.5 5 6 6.5 * 表 3 4．数据分析 通过测量的数据，系统会存在一定的误差，首先是角度传感器的精度，当角度大于45度时，测量出得角度有时候会出现一度的误差，从而在计算周期，计算偏转角的时候都会存在一定的误差，所以在摆杆转动一个周期的时候，电机会出现一定的偏转角，带动平板运动也会有误差。还有一点，整个系统的执行元件是步进电机，步进电机有滞后性，不能很快执行单片机的命令，所以导致八枚硬币不好控制平衡。 七、总结分析与结论 本实验主要以角度传感器、控制驱动模块和MSP430控制单元算法为核心，设计并制作了自由摆上的平板系统，由于角度传感器的精度问题，使得整个系统的精度不是很高，但基本上达到了基本要求，还有对于PID算法的应用不是很熟练，所以激光笔会出现震荡的现象。 八、参考文献 【1】彭军 测量电子电路设计——滤波器篇 科学出版社 【2】谢自美 电子线路设计·实验·测试 华中科技大学出版社 【3】沈建华 杨艳琴等 MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用 清华大学出版社 � EMBED Visio.Drawing.11 ��� PAGE _1234567897.unknown _1352824758.unknown _1352825092.unknown _1352899901.unknown _1352976779.vsd � � � 开始 系统初始化 等待按键按下 判断键值 旋转平板 硬币平衡运动 静态激光打靶 动态激光打靶 运动是 否结束 否 是 结束 等待运动结束 _1395487112.vsd � MSP430 控制 单元 键盘控制 液晶显示 摆架系统 电机 驱动 电路 A/D 转换 步进电机 同轴电阻 _1352899911.unknown _1352899663.unknown _1352824923.unknown _1352824545.unknown _1352824740.unknown _1352817575.unknown _1352824533.unknown _1234567893.unknown _1234567895.unknown _1234567896.unknown _1234567894.unknown _1234567891.unknown _1234567892.unknown _1234567890.unknown