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1、兰州交通大学毕业设计（论文）摘要 本设计要求设计一个基于自由摆的平板控制系统，控制电机能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度到45度)，八枚硬币时，用手堆动摆杆至一个角度(45度到60度)，启动系统后，让自由摆自由的摆动，在五个周期内，不让平板上的硬币掉下来。 本设计是基于AT89C52单片机为主控芯片，将角度传感器与自由摆顶端相连，利用角度和电阻值的线性关系，采用单片机进行AD转换器转换角度传感器两端电压的变化，并在LCD液晶屏上显示转换后的角度值，通过单片机对电机驱动芯片控制驱动电机，
2、实现电机随着摆杆的摆动而正反转和停转的功能，应用单片机对采集到的电压进行PID控制算法，再通过改变PWM的占空比达到精确控制电机转速的目的，从而使平板随着摆杆的摆动一直与水平面保持平行。基于自由摆的平板控制系统能够使放在平板上的小物件在摆动的过程中不会掉下来。关键词：AT89C52；AD转换；步进电机；LCD屏- I -AbstractThe design requirements and design a tablet based on free pendulum control system can control the motor plate can swing with the pe
3、ndulum rotates (3-5 weeks), the pendulum swing a cycle, tablet revolution. Placed on the plate and an eight coins, a coin pile hand when moving to a pendulum angle (30 degrees to 45 degrees), eight coins, hand heap to a moving pendulum angle (45 degrees to 60 degrees), start the system, let freedom
4、pendulum swinging freely in the five periods, not to fall flat on the coin.This design is based on AT89C52 microcontroller as the master chip, the angle sensor is connected to the top of the free pendulum, the use of angle and the linear relationship between the resistance value, the use of single-c
5、hip AD converter converts the voltage across the sensor angle changes, and on the LCD screen displayed angle value after conversion by the motor driver chip microcontroller controls the drive motor, the motor with the swing of the pendulum and stopped reversing function, application microcontroller
6、collected voltage PID control algorithm, and then by changing the PWM duty cycle to achieve the purpose of precise control of motor speed, so that the plate with the pendulum has been swinging parallel to the horizontal plane. Tablet based on free pendulum control system enables small objects on the
7、 plate in the swing process will not fall off.Key Words: AT89C52, ADStepper motor, LCD screen- III -目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 课题背景与意义11.2 课题的内容与要求12 系统方案设计32.1 结构框图32.2 系统模块选择设计32.2.1 控制器模块32.2.2 角度转换模块42.2.3 电机模块42.2.4 驱动电机模块42.2.5 显示模块43 理论分析与计算53.1 自由摆平板系统模型建立53.2 自由摆旋转角度与电机旋转角度关系建模与分析63.3 发挥部分建模与
8、设计64 电路与程序设计84.1 电路设计84.1.1 驱动步进电机模块84.1.2 角度检测模块84.1.3 显示器模块94.1.4 系统电路94.2 程序设计104.2.1 Keil软件介绍104.2.2 程序设计流程图105 Protues仿真测试及分析125.1 Protues软件介绍125.2 Protues仿真测试电路135.3 测试数据135.4 测试分析14结 论15致 谢16参考文献17兰州交通大学毕业设计（论文）1 绪论1.1 课题背景与意义 单片微型计算机简称单片机，常用英文字母的缩写MCU，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成
9、到一个芯片上。单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由仅有CPU的专用处理器芯片发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的8080是最早按照这种思想设计出的处理器，当时的单片机都是4位或8位的。其中最成功的是INTEL的8051，此后在8051上发展出了MCS51系列单片机系统。因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。尽管2000年以后ARM已经发展出了32位
10、的主频超过300M的高端单片机，直到现在基于8051的单片机还在广泛的使用。在很多方面单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了广泛的应用。事实上单片机是世界上数量最多处理器，随着单片机家族的发展壮大，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 现代人类生活中所几乎所有每件电子器件的产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机。汽车上一般配备几十种片单片机，复杂的工业控制系统上能使数百片单片机同时工作！单片机的数量不但远超过PC机和其他计算机的总和，甚至比地球总人数还多。 基于自由摆的平板控制系统设计有利于熟悉单片机原理和掌握C
11、语言编程，增强动手能力。1.2 课题的内容与要求 设计并制作一个自由摆上的平板系统，其结构如图1.1所示。摆杆的一端通过转轴固定在一支架上，另一端固定安装一台电机，平板固在电机转轴上；当摆杆如图1.2所示摆动时，驱动电机可以控制平板转动。用手推动摆杆至一个角度(在45度到60度间)，调整平板角度，在平板中心稳定叠放8枚1元硬币，启动后放开摆杆让其自由摆动。在摆杆摆动过程中，要求控制平板状态使硬币在摆杆运动中不从平板上滑落，并保持叠放状态。并且在平板上固定一激光笔，光斑照射在距摆杆150cm距离处垂直放置的靶子上。摆杆垂直静止且平板处于水平时，调节靶子高度，使光斑照射在靶纸的某一条线上，标识此线
12、为中心线。系统启动后，在15秒钟内控制平板尽量使激光笔照射在中心线上。 图1.1 自由摆结构 图1.2 自由摆摆动示意图2 系统方案设计本课题要求设计并制作一个自由摆上的平板控制系统，能实现在自由摆摆动过程中平板自由旋转，以及在自由摆摆动过程中平摆上放置硬币使硬币不滑落。发挥部分要求实现用手推动摆杆至一个角度(在30度到60度间)，系统启动后，系统应在15秒钟内控制平板尽量使平板上的激光笔照射在设定的中心线上1。2.1 结构框图本系统利用AD转换器转换自由摆摆动角度并用数码管显示，利用单片机接收信号并控制步进电机来控制平板转动。主要由角度转换模块、电机模块、驱动电机模块，显示模块，控制模块。系
13、统结构框图如图2.1所示。 图2.1 系统结构框图2.2 系统模块选择设计 本系统以AT89C52作为控制核心，用四相八拍的步进电机来控制平板转动，采用TLC549AD转换器转换自由摆摆动角度，并利用LCD1602数码管显示角度，采用达林顿ULN2003步进电机驱动器驱动步进电机。下面分别介绍这几个模块的设计。2.2.1 控制器模块 采用ATMEL公司的AT89C52控制芯片。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，
14、兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，8kB可反复擦写(大于1000次)Flash ROM，32个双向I/O口，256x8bit内部RAM，3个16位可编程定时/计数器中断，时钟频率0到24MHz，具有低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能。2.2.2 角度转换模块 采用TI公司的TLC549AD转换器2。TLC549是TI公司生产的一种低价位、高性能的8位A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，其转换速度小于17us，最大转换速率为4MHZ，4MHZ典型内部系统时钟，电源为3V至6V。可用于较小信号的采集，它能方便地采用三线串行
15、接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统3。2.2.3 电机模块 采用四相八拍的步进电机控制平板的运动。步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显。四相八拍步进电机最小步进角为0.9度，因此能实现平板转动的精确控制，步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性4，改变脉冲的顺序，就可以改变转动的方向，电机的停止、转速只取决于脉冲信号的脉冲数和频率，并且步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特性从而能较好的实现平板停止转动的目的。2.2.4 驱动电机模块采用达林顿ULN2003。ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN 复合晶体管组成，具有电流增益高、工作电压高，灌电流可达500mA，能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行，还具有带负载能力强等特点，适应于各类要求高
