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1、1基于自由摆的平板控制系统基基于于自自由由摆摆的的平平板板控控制制系系统统（ B B 题）题）【本本科科组组 】2013 年年 8 月月 2 日日2摘要：摘要：该系统采用 STM32 单片机作为控制系统的核心；以步进电机控制平板转动，以作为细分电机驱动芯片；以电位器模块为角度传感器，采集平板的倾斜角度。然后单片机根据所采集来的角度变化，采用自适应算法算出平板应该转动的角度，使平板的倾斜角度刚好满足平板对硬币的作用力（支持力和摩擦力）在水平方向上的分量刚好提供硬币的横向加速度所须的力。继而根据电机的步距脚（1.8/STEP） ，精确地控制步进电机转动相应的步数。该系统布局合理，理论可行，实际运行
2、较为平稳，控制精度较高，部分达到了题目基本部分的要求。3目目 录录1 系统方案设计.4 1.1 系统的论证与选择.41.1.1 主控系统选择.4 1.1.2 电机论证与选择.4 1.1.3 电机驱动的论证与选择.4 1.1.4 角度的论证与选择4 1.2 系统总体设计方案.5 1.2.1 系统结构说明.5 1.2.2 系统控制说明.5 2 系统理论分析与计算.6 2.1 平板状态测量.6 2.2 自由摆动运动周期分析.6 2.3 自由摆运动过程分析.6 2.4 激光照射模块.7 2.5 控制方法.7 3 电路与程序设计.7 3.1 电路的设计.8 3.1.1 基本电路模块.8 3.1.2 步进
3、电机驱动模块.8 3.2 程序的设计.9 4 测试方案与测试结果.9 4.1 测试方案.9 4.1.1 功能 1.9 4.1.2 功能 2.9 4.1.3 功能 3.9 4.1.4 功能 4.9 4.1.5 发挥部分 1.10 4.1.6 发挥部分 2.10 5 参考文献.104基基于于自自由由摆摆的的平平板板控控制制系系统统（ B B 题）题）【本本科科组组 】本系统主要由 STM32 单片机模块、步进电机模块、角度传感器模块、电 源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1 1系统方案设计系统方案设计1.1 系统系统的论证与选择的论证与选择1.1.1主控系统选择主控系统选择 方案一：使用传
4、统51单片机作为主控制器，价格低廉，但其运算速度慢，片内资源 少，存储容量小，难以实现复杂的算法。 方案二：使用FPGA，CPLD等大规模可编程逻辑控制器件，其时钟频率很高，运算 速度很快，但不适合于该题目。 方案三：使用基于ARM Cortex-M3内核的STM32单片机，它使用方便且低功耗。 方案比较：综合比较，选择方案三。 1.1.21.1.2 电机论证与选择电机论证与选择 方案一：采用直流电机，输出或输入为直流电能的旋转电机，实现直流电 能和机械能互相转换。虽然直流电机调速性能优越，但它换向困难，易产生火 花，寿命短，需经常维护，价格昂贵。 方案二：采用步进电机，将电脉冲信号转变为角位
5、移或线位移的开环控制 元件。步进电机具有优秀的起停和反转响应，精度高、误差低，无电刷可靠性 高、寿命长。它的响应仅由数字输入脉冲确定，可采用开环控制，结构简单、 控制成本低 。 综上所述，因为本控制系统需要通过电机精确的控制平板角度，并且步进 电机比直流电机性价比高，所以本设计方案选择方案二。 1.1.31.1.3 电机驱动电路论证与选择电机驱动电路论证与选择 方案一：采用 L298N 电机驱动电路，内含 4 通道逻辑驱动电路, 两个 H 桥 高电压大电流双桥式驱动器。但当电机相序转换造成冲击和惯性，电机转子在 平衡位置反复震荡，影响运行精度，并产生比较大的噪声。 方案二：采用 HY42DJ
6、单轴 16 细分驱动器，将电机的固有步距角细分成若 干小步的驱动，通过驱动器精度控制步进电机的相电流。电机运行的平稳，控 制灵活，脉冲分辨率高，震荡小。电机运行稳定，无噪声，节能低功耗,不失步。综上所述，电机转角控制需高精度、低震荡，所以本设计方案选择方案二。1.1.41.1.4 角度传感器的论证与选择角度传感器的论证与选择 方案一：采用加速度计传感器，可测量物体运动所产生的加速度。但加速 度计只有在静止状态下测量到的数据比较准确，测量动态角度时需要其他传感 器进行补偿。而且步进电机在启动时所产生的加速度会对传感器测量角度产生 影响。5方案二：采用陀螺仪传感器，获取角速度经积分运算计算角度。但它反应 时间长，线性度较差，精度低。角速度信号若
