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1、编号：B甲0030120XX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.指导翟庆一 海燕学 校：职业学院20XX9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3
2、3.2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
3、,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,
4、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,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：
5、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m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m时查表设定步进电机转动周期T。在误差围简化查表
6、,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*3603.77,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1变为2时控制平板与摆杆垂直,则平板与摆杆之间的角度由1=90+1变为2=90,控制步进电机逆时针旋转1-2=1。所以根据摆杆角度的变化
7、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1。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时,平板需要顺时针旋转夹角=+。由图可知：式1,式2,式3。其中L=100cm,D=150cm,将式12带入式3求得。摆杆拉至左侧时,激光笔静态打靶控制示意图如图4所示。仍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时,平板需要逆时针旋转夹角=-。由图可知：式4,式5
8、,式6。其中L=100cm,D=150cm,将式45带入式6求得。图 3 激光笔静态打靶示意图 图 4 激光笔静态打靶示意图2、激光笔动态打靶控制原理分析摆杆摆动过程中,根据前面分析的平板转动控制原理及旋转角度之间关系,根据摆杆摆角的变化,控制步进电机的旋转。3、误差分析摆杆摆至右侧一定位置时,若激光笔照射位置向上偏差1cm时,示意图如图5所示,根据前面分析可得式7。参考图3可知,若偏差为1cm时,平板旋转的角度差为=|-1|。取1-62时,带入式7计算可知,min=0.386462802。当摆杆摆至左侧时,参考图4和图5分析得：式8则min=0.229288685。同理可分析出摆杆在右侧,激
9、光笔照射位置偏下1cm时,min=0.386462266；摆杆在左侧,激光笔照射位置偏下1cm时,min=0.228880843。则要求步进电机和编码器的最小步进角要小于0.228880843。图 5 激光笔照射位置偏差示意图第三章 硬件电路设计3.1控制器电路ATmega48采用先进RISC结构的AVR核,有如下特点:工作于20 MHz 时性能高达20 MIPS；4K字节的系统可编程Flash；256字节的EEPROM；512字节的片SRAM；两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器；一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器；六通道PWM；片/外中断；具
10、有片振荡器的可编程看门狗定时器；23个可编程的I/O 口线；五种休眠模式；能满足本系统的需要,故选用了AVR系列单片机ATmega48。3.2角度测量电路将摆杆的转轴与编码器的轴连接在一起,当摆杆摆动时带动编码器轴转动,编码器产生的脉冲信号传送给单片机进行数据处理。系统采用欧姆龙增量型旋转编码器E6B2-CWZ2C,它具有如下特点:编码器每转一周A相和B相输出2000个脉冲；A相、B相的相位差1/41/8T,从而可方便地判断出旋转方向；附有电源逆接、负载短路保护回路,改善可靠性。编码器精度为360/2000=0.18,小于第二章中分析的min=0.228880843,符合系统要求。为降低软件设
11、计难度,系统采用硬件电路判别编码器旋转方向。由输出信号单方向上升沿或下降沿的触发信息,得到判别编码器旋转方向的信号,同时与脉冲计数信号相互牵制,达到互锁的功能。应用D触发器74LS74上升沿触发,得到第5管脚和第6管脚信号分别与编码器输出信号进行逻辑运算,获得编码器的正向旋转脉冲信号和逆向旋转脉冲信号,分别接至单片机的INT0、INT1中断。3.3步进电机及驱动电路系统采用42BYGH02型步进电机控制平板转动,步进角1.8。单片机通过两相混合式步进电动机细分驱动器SWT-201驱动步进电机。SWT-201具有短路、错相保护,H桥双极性恒相流驱动,输入信号光电隔离,节能的半电流锁定等功能,可靠
12、性高,成本低,多档细分可选,本系统采用8倍细分驱动,控制电动机步进角为0.225,小于第二章中分析的min=0.228880843,符合系统要求。其中CP、CW接单片机的PB0、PB1端口。系统为检测摆杆过零点,采用接近传感器。3.4控制按键及模式转换电路系统利用模式转换开关实现工作状态的切换,并设置了相关按键,分别实现电源、启动等控制。3.5创新部分1、液晶显示系统采用液晶显示模块OCMJ48C,实时显示摆杆摆动的角度等信息。2、声光提示功能当系统在规定时间完成相应功能时,如15秒钟激光笔实现了对中心线的定位,进行声光提示。另外设计了LED指示灯,指示平板旋转、带硬币摆动、激光笔打靶等工作状
13、态。3、无线遥控功能系统采用无线遥控发射接收解码器芯片PT2272设计了无线遥控模块,方便远距离操作。具体电路参见附录1系统整体电路原理图。第四章 软件设计4.1系统主流程图本系统硬件电路简单,控制功能主要通过软件来实现。本系统以ATmega48单片机为控制核心,将编码器传过来的脉冲信号进行处理得出摆杆的角度,将检测角度实时的显示在液晶显示器上,并通过计算输出控制信号驱动步进电机旋转,从而达到各种控制要求。软件编程的关键是对于旋转编码器送来的脉冲进行处理以及对步进电机的控制。旋转编码器同时采用了A 相信号和B 相信号,其中A 相信号是用作脉冲的计算,B相信号是用来判断转动方向。采用了外部中断的
14、编程方式,以达到响应迅速的要求和准确计算脉冲数的目的。4.2主要软件模块设计思路通过检测模式控制开关的状态切换系统的工作模式。模式1：平板旋转一周控制模式。程序设计思路：手动拉摆杆到某个角度停止,检测到按启动键时,记下编码器输入的最大值mp,从而计算出自由摆的摆动周期T。由T和步进电机每转一圈需要的脉冲数p0,可计算出每ms步进电机的驱动脉冲数p。设定定时器定时1ms中断,每次中断驱动电机步进p步。模式2：硬币不滑落控制模式。程序设计思路：手动拉摆杆到某个角度停止,调整平板水平,放上硬币,检测到按启动键时,记下编码器输入的最大值mp,从而计算出平板旋转和摆臂垂直电机的驱动脉冲数p。检测到编码器
15、计数值减少时松手,控制步进电机快速转动p步,使平板和摆臂垂直。模式3：激光笔打靶静态控制模式。程序设计思路：在摆杆垂直静止时,调整平板水平,使激光笔照在靶屏的中心线上,手动拉自由摆到某个角度停止,检测到按启动键时,记下编码器输入的最大值mp,从而计算出使激光照在中心线上平板应旋转的角度,查表得到电机的驱动脉冲数p。控制步进电机转动p步,使激光照在中心线上。发出声光提示,表示任务完成。模式4：激光笔打靶手动控制模式。程序设计思路：在模式3基础上,必要时调整平板,使激光笔照在靶屏的中心线上,检测到按启动键时,循环检测编码器输入值mp的变化,查表得到电机的驱动脉冲数p。控制步进电机转动p步,使激光照在中心线上。第五章 系统测试与结果分析系统完成后,针对各项功能要求,做了相应测试,测试方法及结果如下：
