基于单摆的控制系统方案.doc

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1、编号：B甲003012011年全国大学生电子设计竞赛设计报告竞赛题目：基于自由摆的平板控制系统学生：胡广豹（hugb59126.）程家凡（oxgoo126.）娜（limeng_5201314126.）指导教师：翟庆一海燕学校：职业学院2011年9月3日目录第一章系统方案论证11.1方案比较与选择11.1.1角度测量方案的比较与选择11.1.2驱动电机的比较与选择11.2方案设计与论证1第二章理论分析与计算12.1摆杆摆动角度的测量原理12.2平板旋转控制测量原理12.2.1平板旋转一周的控制原理分

2、析12.2.2硬币不滑落控制原理分析22.2.3激光笔打靶控制原理分析2第三章硬件电路设计33.1控制器电路33.2角度测量电路43.3步进电机及驱动电路43.4控制按键及模式转换电路43.5创新部分4第四章软件设计54.1系统主流程图54.2主要软件模块设计思路5第五章系统测试与结果分析55.1各功能测试方法及测试数据55.1.1基本要求功能测试55.1.2发挥部分测试65.2结果分析6总结6参考资料6附录1：系统整体电路原理图7附录2：主程序流程图8附录3：相关数据9附录4：部分程序10摘要本

3、控制系统以ATMEGA48单片机为控制核心，包括步进电机控制电路、编码器、显示电路和电源电路等几部分。选用E6B2-CWZ6C型编码器实现摆杆角度的测量，根据摆杆角度控制步进电机，实现对平板旋转的控制，步进电机选用42BYGH02，并增加了LCD显示电路实时显示摆杆的角度。经过试验证明该系统可以实现题目的基本要求及发挥部分的所有功能。关键词：编码器步进电机单片机第一章系统方案论证1.1方案比较与选择1.1.1角度测量方案的比较与选择方案一：采用电容或磁阻角度传感器，一般需要电量转换及A/D转换等处

4、理，电路复杂。方案二：选用旋转编码器，根据其产生的脉冲数通过单片机计算角度。其原理及工作电路简单，容易实现，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高等。比较上述两种方案，旋转编码器控制简单，所以选择方案二。1.1.2驱动电机的比较与选择方案一：伺服电机加伺服驱动器，能高速制动，适合闭环控制，但成本高、体积大。方案二：步进电机，输入脉冲和转动角度之间成特定的比例控制关系，不累积误差，控制简单，一般用作开环控制，成本低。比较上述两种方案，考虑到本系统是一个开环系统，步进电机成本低，控制简单

5、，并且可以满足控制要求的精度，所以选择方案二。1.2方案设计与论证根据系统控制要求，通过方案比较，得出系统电路总体框图如图1所示。主要由步进电机及驱动电路、编码器测角度电路、模式转换开关及控制按键电路、LCD显示电路、声光指示电路和单片机电路等几部分组成。图1系统总体框图第二章理论分析与计算2.1摆杆摆动角度的测量原理利用增量式旋转编码器可以测得摆杆角度。摆杆角度与脉冲数关系为：角度=脉冲数×360/N。其中N是编码器旋转一周的所产生的固定脉冲数。2.2平板旋转控制测量原理2.2.1平板旋转一周的

6、控制原理分析摆杆摆一个周期，控制电机使平板旋转一周（360°），偏差绝对值不大于45°。要实现此功能，需要使平板的转动周期与摆杆摆动周期同步。根据大角度单摆的周期修正公式[1]可得摆杆最大角度θm与摆动周期T的关系。考虑到摆杆的负重等因素，通过平衡的方法找到摆杆的重心位置，测得摆杆长度l的理论值约90cm，带入周期修正公式得摆杆摆动周期，见附录表1。根据控制要求，系统选摆杆最大角度在1°至62°之间变化时。把摆动周期分成两个半周，每当摆杆在最大角度θm时查表设定步进电机转动周期T。在误差围简化查表

7、，将62°分段处理：1至32°时取23°时的周期，33至45°时取39°时的周期，47至54°时取49°时的周期，55至62°时取58°时的周期。根据计算得出理论上最大误差在54°时为0.021119917秒，步进电机转一周的误差为：0.021119917/2.12630905*360≈3.77°，符合偏差绝对值不大于45°的要求。2.2.2硬币不滑落控制原理分析启动摆杆摆动后，控制平板在尽量短的时间与摆杆成垂直状态，利用离心力使硬币不滑落。摆杆从右向左启动摆动时如图2所示，假设角度由θ1变为θ2

8、时控制平板与摆杆垂直，则平板与摆杆之间的角度由β1（=90°+θ1）变为β2（=90°），控制步进电机逆时针旋转β1-β2=θ1。所以根据摆杆角度的变化值控制步进电机工作。同理，若摆杆从左向右启动摆动时，控制步进电机顺时针旋转θ1。（a）摆杆从右向左启动时（b）摆杆从左向右启动时图2摆杆摆动过程示意图2.2.3激光笔打靶控制原理分析1、激光笔静态打靶控制原理分析摆杆拉至右侧时，激光笔静态打靶控制示意图如图3所示。以最低点处平板与摆杆垂直时为参考状态，当用手推动摆杆至角度θ时，平板需