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1、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（基于自由摆的平板控制系统（B B 题）题） 【本科本科 组组】 20112011 年年 9 9 月月 3 3 日日 摘摘 要要 采用 ATmage16 avr 单片机作为主控芯片的基于自由摆的平板控制系统。利 用高精度的电位器和单片机的片内模数转换器测量自由摆的摆动角度。 ULN2003N 达林顿阵列驱动，1/16 倍速的减速步进电机控制平板的转动。能够实 现根据摆杆角度平板转动相应角度、摆杆摆动一周期平板转动一圈、控制平板 使得摆杆摆动时平板上的硬币不滑落、平板上的激光笔在摆杆摆动一定角度后 照射到靶子中心线等要求。 关键词：关键
2、词： 自由摆 AVR 单片机 电位器 减速步进电机 I 目录目录 1 1 系统方案系统方案 1 1 1.1 中央处理器的论证与选择 1 1.2 电机驱动模块的论证与选择 1 1.3 摆杆角度测量模块的论证与选择 2 2 2 系统理论分析与计算系统理论分析与计算 2 2 2.1 系统理论的分析 2 2.1.1 摆杆旋转角度的获取 2 2.1.2 平板旋转角度的控制 3 2.1.3 步进电机转动控制 4 2.2 摆杆斜角度的计算 4 2.3 步进电机的计算 4 2.3.1 摆杆摆动三周电机的转动 4 2.3.2 摆动摆杆通过电机控制平板使硬币不从平板上掉落.4 2.3.3 摆杆固定时控制激光笔.4
3、 2.3.4 摆杆摆动时电机控制激光笔.4 3 3 电路与程序设计电路与程序设计 5 5 3.1 电路的设计 5 3.1.1 系统总体框图.5 3.1.2 摆杆角度检测子系统框图与电路原理图 5 3.1.3 步进电机驱动子系统电路原理图.6 3.1.4 电源.6 3.2 程序的设计 7 3.2.1 程序功能描述与设计思路.7 3.2.2 程序流程图.7 4 4 测试方案与测试结果测试方案与测试结果 9 9 4.1 测试方案 9 4.2 测试方式与仪器 9 4.3 测试结果及分析 9 4.3.1 测试结果(数据).9 4.3.2 测试分析与结论10 附录附录 1 1：电路原理图：电路原理图 11
4、11 附录附录 2 2：完整测试数据：完整测试数据 1212 附录附录 3 3：源程序：源程序 1313 0 基于自由摆的平板控制系统（基于自由摆的平板控制系统（B B 题）题） 【本科组本科组】 1 1 系统方案系统方案 本系统主要由中央处理器模块、电机驱动模块、摆杆角度测量模块、电源模块组 成，下面分别论证这几个模块的选择。 1.11.1 中央处理器的论证与选择中央处理器的论证与选择 方案一：方案一：目前应用很广泛的 51 系列单片机。该系列的单片机具有价格低廉、性能 稳定、技术成熟等特点。但缺点也很明显，运行速度不是很快，而此次设计应需要较 为复杂的运算，所以可能达不到要求。 方案二：方
5、案二：AVR 系列的单片机。该系列单片机较于早期的 51 单片机，片内资源更丰 富，接口也更强大，同时采用的是 RISC 精简指令集，在运行速度上较与 51 有绝对的 优势。而价格低廉的优势也同样存在。 方案三：方案三：ARM 处理器。ARM 处理器主要应用于嵌入式系统的开发，支持 Thumb（16 位）/ARM（32 位）双指令集，兼容性好，大量使用寄存器执行速度快。单从性能上讲， AMR 绝对强与 AVR 与 51，但其价格昂贵，并不是很适合本次设计。 因此次设计需要设计加速度传感器对于角度的计算，需要较大的计算量，且系统 对于精度的要求较高，故选择方案二。 1.21.2 电机驱动模块的论
6、证与选择电机驱动模块的论证与选择 方案一：方案一：L298H 桥式驱动芯片。该芯片具有性能稳定、控制灵活、输出电流大等特 点，可以很方便控制直流电机的转动方向。但其价格较高，外接电路较为复杂。 方案二：方案二：ULN2003 达林顿阵列芯片。ULN2003 是高耐压、大电流复合晶体管阵列， 工作电压高，工作电流大，灌电流可达 500mA，并且能够在关闭状态承受 50V 的电压， 输出还可以在高负载电流并行运行。采用此方案不能控制直流电机的运动方向，但采 用步进电机则完全可以控制，且电路极其简单，基本不需要其他外围元器件。相对于 L298 来说，价格上又有绝对的优势。 1 方案三：方案三：步进电
7、机细分仪。高精度的步进电机细分仪能将驱动电机的电流细分化， 不仅能提高步进电机的精度，还能减噪和提高电机运行时的稳定性，驱动上也较普通 驱动芯方便，只需给一定频率的脉冲信号即可控制速度。但出于条件限制，我们并有 足够的设备，且价格很高，最终还是没选择此种方案。 综合以上三种方案，选择方案二。 1.31.3 摆杆角度测量模块的论证与选择摆杆角度测量模块的论证与选择 方案一：方案一：加速度传感器。采用 HQ7455-mma7455 数字三轴加速度模块。该模块使用 和测试方便，可以实现基于运动的功能，也提供 I2C 和 SPI 接口，方便与 MCU 的通讯。 将加速度传感器安装在摆杆的尾部，摆杆摆动
8、时根据角速度传感器测量出来的 x 轴上 重力加速度的分量计算出摆杆角度。此种方案经过实验后发现加速度传感器很不稳定， 首先是在静止状态下震动幅度过大，其次是在运动状态中测量出来的角度不准确，还 有严重的滞后问题。基于这些原因，放弃了此种方案。 方案二：方案二：电位器。随着摆杆转动，利用电位器调制出的电压信号，使用 AVR 单片机 的片内 ADC 即可读取。具有稳定性好，读出的数值与摆杆角度的线性相关也较吻合。 综合考虑采用方案二。 2 2 系统理论分析与计算系统理论分析与计算 2.12.1 系统理论的分析系统理论的分析 2.1.12.1.1 摆杆旋转角度的获取摆杆旋转角度的获取 将高精度的电位
9、器安装在摆杆的转轴位置，电位器连接在 5V 电源上，随着摆杆 的摆动，电位器上能产生 05V 的电位差，利用单片机片内的 10 位 ADC 即可读取。采 集多组读出的 AD 值和摆杆实际角度，然后建立线性回归方程，即可获取摆杆旋转角度。 作出的线性回归图形如图一所示： 2 y = 3.685x + 261.3 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 050100150200 系列1 线性 (系列1) 图一 摆杆角度与模数转换线性拟合图 2.1.22.1.2 平板旋转角度的控制平板旋转角度的控制 根据摆杆转动角度依据题目要求，驱动减速步进电机实时转动
10、相应角度。如图二 所示： 图二 平板旋转控制流程图 3 2.1.32.1.3 步进电机转动控制步进电机转动控制 此次使用的减速步进电机在速度、方向上都能精确控制。所以可根据对摆臂旋转 角度、平板旋转角度等数据计算后更改步进电机脉冲信号的走向控制步进电机的方向， 更改步进延时控制电机的速度。 2.22.2 摆杆斜角度的计算摆杆斜角度的计算 在电位器上加上 5V 的电压并把电位器固定到摆轴的定点，电位器本身固定不动、 调节轴与摆杆相连，当摆杆静止在某个角度(-6060 度)时，电位器输出对应的电压值 不变，采样出足够的点并分析其线性关系，利用闲心回归方程得到相应线性关系，通 过不断测试数据来改进电
11、位器输出电压与角度的关系 2.32.3 步进电机的计算步进电机的计算 2.3.12.3.1 摆杆摆动三周电机的转动摆杆摆动三周电机的转动 单片机首先检测摆杆是否开始摆动（松手检测） ，摆杆摆动后，当检测到摆杆摆到 了平衡位置时电机转动半圈，以此类推直到走完三圈。 2.3.22.3.2 摆动摆杆通过电机控制平板使硬币不从平板上掉落摆动摆杆通过电机控制平板使硬币不从平板上掉落 当检测到按键按下时延时一段时间以适宜操作者的反应时间，之后步进电机转动 相应角度到平板到平板与摆杆垂直时电机停止转动，之后让硬币随摆杆摆动而摆动。 2.3.32.3.3摆杆固定时控制激光笔摆杆固定时控制激光笔 把摆杆固定到一
12、定角度（3060 度）位置时，通过角度计算公式： 计算出 角，让电机转动 度。 2.3.42.3.4 摆杆摆动时电机控制激光笔摆杆摆动时电机控制激光笔 同 2.3.3，摆杆摆动到下一位置与前一角度对应的 角之差就是电机要转动的角度，通过检 测摆动最高点和最低点来决定电机的转动方向 4 3 3 电路与程序设计电路与程序设计 3.13.1 电路的设计电路的设计 3.1.13.1.1 系统总体框图系统总体框图 系统总体框图如图三所示: Atmage16 单片机最小系统 摆杆角度检测模 块 步进电机驱 动模块 键盘输入模块 LED显示模块 图三 系统总体框图 3.1.23.1.2 摆杆角度检测子系统框
13、图与电路原理图摆杆角度检测子系统框图与电路原理图 1、摆杆角度检测子系统框图 5 摆杆转动 电位器两端 电位变化 模数转化器 转化 图四 摆杆角度检测子系统框图 3.1.33.1.3 步进电机驱动子系统电路原理图步进电机驱动子系统电路原理图 1、步进电机驱动子系统电路 In1 1 In2 2 In3 3 In4 4 In5 5 In6 6 In7 7 GND 8 COM 9 OUT1 10 OUT2 11 OUT3 12 OUT4 13 OUT5 14 OUT6 15 OUT7 16 U? ULN2003 1 2 H? Head2 1 2 3 4 H? Head4 1 2 3 4 5 P? H
14、eader 5 VCC GND VCC 步进电机驱动模块 GND 100pF C? Cap 图五 步进电机子系统电路 3.1.43.1.4 电源电源 因本系统需为单片机的 ADC 提供参考电压，所以对电压稳定的要求较高，故采用 现成的+5V 电源模块，并焊接了一块有多个接口的板子，以便其他模块的供电连接。 6 3.23.2 程序的设计程序的设计 3.2.13.2.1 程序功能描述与设计思路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需实现电位器端的模数转换、步进电机驱动、键盘检测、 LED 灯显示、各种参数及数据的计算等。 （1）模数转换实现功能：采用 AVR 单片机的片内十
15、位 ADC。 （2）步进电机驱动：控制连接 ULN2003 驱动模块的 IO 口，输出制定频率的电位 变化控制步进电机的转动速度与转动方向。 （3）键盘检测：实时扫描连键盘的单片机 IO 的电位变化，读出按键。 2、程序设计思路 （1）模式选择：程序启动后进入模式选择状态。键盘检测输入，LED 灯显示当前 状态。 （2）步进电机驱动：编写电机驱动接口函数，入口参数有电机转动方向、电机转 动步数、每步延时。 （3）电位器电压检测：利用 AVR 片内的 10 位 ADC。需要检测点位时调用进行模 数转换，检测寄存器状态判断装化完成。 3.2.23.2.2 程序流程图程序流程图 1、主程序结构图图
16、模式选择 模式一模式二模式三模式四模式五 随杆摆动平 板旋转子程 序 一块硬币子 程序 8块硬币子程 序 定点调整激 光方向子程 序 动态调整激 光旋转子程 序 图六 主程序结构图 7 2、摆杆角度检测子程序流程图 ADC转化 调用ADC值与 摆杆角度的 计算函数 开始 返回角 度值 结束 图七 摆杆角度检测子程序 3、电机驱动子程序流程图 开始 入口参数：电机方 向、电机步数、每 步延时 判断方向 调用步进电 机编码1 调用步进电 机编码2 方向1 方向2 根据电机步数参 数送IO口编码 延时 结束 图八 电机驱动子程序流程图 8 4 4 测试方案与测试结果测试方案与测试结果 4.14.1 测试方案测试方案 1、软件仿真测试 2、硬件设计测试 4、设计要求测试 4.24.2 测试方式与仪器测试方式与仪器 1、软件仿真：用 PROTEUS 软件画出系统要求的电路，测试程序是否编写正确。这 一测试主要是对模式选择子系统的测试； 2、硬件电路检测：使用万用表测量电路是否连接正确，米尺和三角板测量摆杆的 长度和水平是否符合要求。 3、设计要
