基于自由摆的平板控制系统
基于自由摆的平板控制系统--我的设计
B组基于自由摆的平板控制系统参赛学校：参赛学生：指导老师：联系方式：基于自由摆的平板控制系统摘要本控制系统由核心控制模块、角度采样模块、电机驱动模块、液晶显示模块、键盘控制模块等部分组成。
经实验证明本控制系统设计的各项指标都满足大赛的基本部分和核心部分的要求，部分设计实现大赛发挥部分，符合大赛目的。
关键字：STC12C5A60S单片机、角度传感器、L297、L298控制芯片、步进电机。
Abstract一、总体方案比较与论证方案一、方案二、利用STC12C5A60S2单片机作为控制系统，由单片机内部的AD转换模块对角度角度传感器 摆杆θ θ摆杆 平板平板二、各模块设计介绍1、角度采集模块设计根据题目要求，要保持平板平衡，需利用角度传感器随时测量旋转角度，角度传感器和单片机的连接2、键盘控制模块3、核心控制模块本设计的核心控制模块主要是由STC12C5A60S2单片机组成。
图14、液晶显示模块5、电机驱动模块12U1A74LS0734U1B 74LS071110U1E74LS071312U1F74LS07RED1ORANGE2Y E L L O W3PINK4B L U E5STEP MOTOR4 PHASE+12VORANGE PINKYELLOWBLUEREDABCD三、测试方案与测试结果在完成后进行调试时，采用的方法是首先分别调试各单元模块，调通后在进行整机调试的方法。
1、摆杆转动角度的测试。
2、键盘控制模块的调试。
3、液晶显示模块的调试。
4、单片机程序的调试。
5、步进电机转动角度的调试。
6、对设计的整体测试。
四、结论我们的设计利用单片机STC12C5A60S2作为核心控制，通过采集角度传感器的实时电压，利角度传感器采集来的数据和步进电机的状态实时显示在液晶屏上面，以便我们能够对系统的整体运行状态进行监控。
五、参考文献：。
基于自由摆平板的控制系统
基于自由摆平板的控制系统浙江万里学院罗志强周伟凯张政指导老师胡江王阳摘要本系统基于Altera的MAXII FPGA和新华龙C8051F单片机，采用MMA7455加速度传感器进行摆杆释放感应，由MXD2020EL角度传感器进行数据采集，通过FPGA进行角度值测量，交由MCU进行数据的处理，产生一系列脉冲信号经L298N 驱动使步进电机工作。
通过按键选择完成不同的功能，完成自由摆平板的控制系统。
由于FPGA的测量频率高，并且使用两个传感器的加强了角度测量与定位的准确度，从而测得的角度值精确，操控性能优良，因此系统能够出色完成设计目标。
关键词：角度传感器；FPGA；单片机；电机1.系统方案选择自由摆控制系统主要由:主控模块、角度传感器模块、电源驱动模块、机械结构组成。
方案一：基于单片机为核心的控制系统，利用AD603芯片对电位器角度传感器（模拟型）进行电压采样，再经模数转换，将模拟的角度变为数字信号，通过单片机处理计算输出脉冲驱动步进电机。
方案二：使用基于Altera MAXII系列FPGA和新华龙的C8051主控芯片FPGA 在数据采样方面的优势是单片机无法比拟的，而单片机的数据处理能力FPGA同样无法取代。
两者结合，优势互补。
角度测量采用MXD2020EL，此芯片精确度高，操作简单。
利用MMA7455加速度传感器进行摆杆释放感应，MMA7455是一款数字输出、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度计，具有信号调理、低通滤波、温度补偿、自测、可配置，通过中断引脚检测0g、以及脉冲等功能。
通过FPGA对MXD2020EL角度传感器产生的方波进行采样，转换成数字信号传给MCU。
MMA7455加速度传感器测量失重信号，通过SPI通信直接传给单片机进行数据处理。
通过一系列判断得出摆杆的状态控制步进电机的转动。
出于对可操作性，准确性和测试精度的考虑，我们选择了方案二。
2.理论分析和系统框架本设计通过MXD2020EL角度传感器捕获摆杆角度的变换，而模组可以使用单轴可以测量2个面的倾角±60°及使用双轴测量1个面内的0~360°的倾角，我们这里使用双轴测量一个面内的角。
基于自由摆的平板控制系统
基于自由摆的平板控制系统本系统以单片机为控制核心，采用增量旋转编码器实时采集自由摆旋转角度及方向，通过步进电机开环控制平板旋转角度，以实现控制要求。
此外，为方便实验和调试，专门设计了独立的单片机角度显示电路。
本设计以旋转编码器的脉冲触发单片机的中断来控制平板角度的调整，这种外部事件驱动的程序设计方法能够及时响应摆杆角度的变化，避免了复杂的定时采样程序设计，总体程序设计简洁，响应时间快，控制精度高。
在激光笔瞄准时采用了查表法，避免了单片机进行复杂三角函数运算造成的舍入误差对实验精度的影响，从而达到了在一个周期里电机精确旋转一周；平板角度调整速度快，8枚硬币滑动小无跌落；实时控制激光笔保持静态水平误差在1cm以内；动态控制误差在2cm以内的实验效果。
关键词:旋转编码器、定时采样、角度采样、精确控制。
一、引言系统设计任务为一种基于自由摆的保持平板平衡的控制系统。
基本要求是保持平板上硬币的平衡滑动小或滑落少，进一步的要求是让平板上激光笔射在靶纸上的光斑偏移量尽可能小。
在实时控制时，对自由摆的摆角、摆速及摆动方向的测量十分关键，平板角度的控制精度和相应速度也直接决定着最终的控制效果，如图1。
图1 单板结构示意图二、系统方案设计1、总体方案选择根据题目要求，摆杆在摆动时，方向不同，要求单片机做出方向判断从而及时调整电机保证平板平衡。
方案一：本方案就是在固定轴上装有微动开关，利用摆杆摆动时的力拨动开关以解决该问题。
优点是：机械装置，无需软件方面的设计，一旦触发可靠性高。
缺点：本身灵敏度不高，在测试中常出现摆动力度太小无法开启开关的现象，影响程序的执行。
方案二：电位器滑动时电压随即变化，可以将角度的变化转化为电压的数值，且两者是一一对应的，这里的电位器起到了角度传感的作用。
优点是：价格优廉。
缺点：精度不够。
方案三：采用增量旋转编码器实时采集自由摆旋转角度及方向，由单片机控制步进电机，使平板实时动态平衡。
优点：精度教高，便于控制。
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题）摘要本系统采用STC12C5A60S2单片机作为核心处理芯片，用STC12C5A60S2对电机进行对平板正转，反转的控制。
平板旋转的角度由角度传感器ADXL345完成。
角度量通过IIC总线接口获得，然后再通过分析和判断，再对电机进行控制转动，使的平板保持平衡，从而使硬币不掉落平板。
此外，还用到显示频NOKIA5510显示倾斜角度，和语音模块ISD1420。
AbstractThe system uses stc12c5a60s2monolithic integrated circuits,with a central treatment of electrical stc12c5a60s2the flat is to reverse the control of a flat spin. the angle from the angle sensor adxl345.the angle of the interface by IIC,and then by analysis and assessment,the motor control of a flat,to balance a coin fall,thereby, not flat.in addition,it is also used to show businesses,and shows lean nokia5510 voice module isd1420.关键词：单片机摆动平板角度传感器目录摘要 (1)第一章系统设计及方案论证与比较 (3)1.1系统总体方案设计 (3)1.2方案的设计与论证 (3)1.2.1控制模块的选择 (3)1.2.2电机的选择 (3)1.2.3电机驱动的选择 (3)第二章理论分析及计算 (4)2.1平板状态测量方法 (4)2.2建模与控制方法 (5)第三章电路与程序设计 (5)3.1硬件电路设计 (5)3.1.1主控电路设计 (5)3.1.2步进电机驱动电路设计 (6)3.1.3角度传感器电路设计 (6)3.2软件程序设计流程 (7)第四章测试结果及分析 (7)4.1测试步骤 (8)4.2测试结果 (8)4.3结果分析 (8)结束语 (9)附件一完整的电路原理图 (10)附件二测试结果 (12)附录三重要的源程序 (13)第一章系统设计及方案论证与比较1.1系统总体方案设计根据题目给定的条件，我们设计的方案总体上由单片机系统模块，电机控制模块，语音模块和传感器模块四部分组成。
基于自由摆的平板控制系统(B 题)
AD转换器是采集系统的核心，在整个系统中占有重要的地位。通过转换，将信息由模拟信号转换成数字信号。图三为ADC输入通道的保护电路。因为ADC允许的输入范围是0～3V，为了防止电压大范围的波动，在AD输入端加一限压保护电路，通常采用钳位保护二极管。为了抑制串入ADC输入信号上的干扰，要进行低通或带通滤波。RC滤波是最常见也是成本最低的一种选择，并且电阻R还起到限流作用。见图三
控制驱动模块是平板控制系统的核心部分。接收来自通过模数转换器的角度相对应的电平数据，根据给定的控制算法计算出控制量，控制量加载到驱动芯片ULN2003AN完成对电动机转速和方向的控制。
电动机和自由摆本体完成对该项比赛的具体任务要求。
人机交互模块由LCD、发光二极管以及键盘电路组成；LCD1602作为信息显示，键盘电路选用4×4矩阵键盘，方便功能扩展。
关键字：STC89C52RC单片机，ADC0807模数转换器，SCA60C单轴倾角传感器，28BYJ48步进电动机，ULN2003AN驱动器
引言
随着计算机软件技术水平的不断提高和电子技术突飞猛进的发展，测控技术在社会生产生活中发挥着无法估量的重要作用。近年来，新型微处理器的速度不断提高，采用流水线、RISC结构和cachE等先进技术，又极大提高了计算机的数值处理能力和速度。在数据采集方面，数据采集卡、仪器放大器、数字信号处理芯片等技术的不断升级和更新，也有效地加快了数据采集的速率和效率。与计算机技术紧密结合，已是当今仪器与测控技术发展的主潮流。对微机化仪器作一具体分析后，不难见，配以相应软件和硬件的计算机将能够完成许多仪器、仪表的功能，实质上相当于一台多功能的通用测量仪器。这样的现代仪器设备的功能已不再由按钮和开关的数量来限定，而是取决于其中存储器内装有软件的多少。从这个意义上可认为，计算机与现代仪器设备日渐趋同，两者间已表现出全局意义上的相通性。据此，有人提出了“计算机就是仪器,软件就是仪器”的概念。本系统作为测控技术中一个基于自由摆的平板控制系统，设计目标在于以此为参考对测控技术作简单阐述。
传感与检测技术大作业
度传感器采集来的信息，经计算得出数据来控制步进 电机转动，从而达到系统的基本要求。在系统设计中， 力求硬件线路简单，充分发挥软件编程方便灵活的特 点，来满足系统设计要求。因为时间有限，该系统还 有许多值得改进的地方：比如对此系统来讲，PID算法 并不是最优算法；硬件电路的设计还需优化，以减小 系统的阻力等等。因此，系统还有待改进。
控制电机转动
（三）、误差分析
1）电机抖动：电机性能不能达到要求，程序控制方面 存在一定问题。
2）单摆周期：空气，线的阻力和单摆和支架间的摩擦 力使周期变长，另外单摆摆动的角度超过6°，这也使 得单摆周期与实际存在一定程度的误差，从而影响了对 电机控制时机的把握。
（四）、总结
本系统以STC12C5A60S2单片机作为核心部分，根据角
（2）在上述过程完成后，调整平板，使激光笔照射到中心线上（可人工 协助）。启动后放开让摆杆自由摆动；摆动过程中尽量使激光笔光斑始终 瞄准照射在靶纸的中心线上，根据光斑偏离中心线的距离计算成绩。
（3）其他。
三、任务分析
(一)、系统的组成 经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下： 1、控制器模块：STC１２C５A６０S２单片机； 2、电机模块：步进电机； 3、电机驱动模块：L298芯片； 4、显示模块：1602液晶显示； 5、平板倾斜角度计算模块：PID算法。
2） 、数字 PID 控制器的差分方程
T T n u (n) K P e(n) e(i ) D e(n) e(n 1) u 0 TI i 0 T u P ( n) u I ( n) u D ( n) u 0
式中
u P (n) K P e(n)
介绍结束 谢谢
（3）用手推动摆杆至一个角度θ （θ 在45º～60º间），调整平板角度，在 平板中心稳定叠放8 枚1 元硬币，见图2；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的5 个摆动周期中不从 平板上滑落，并保持叠放状态。根据平板上非保持叠放状态及滑落的硬币数 计算成绩。
基于自由摆的平板控制系统
基于自由摆的平板控制系统————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：基于自由摆的平板控制系统（B题）摘要本系统采用STC12C5A60S2单片机作为核心处理芯片，用STC12C5A60S2对电机进行对平板正转，反转的控制。
平板旋转的角度由角度传感器ADXL345完成。
角度量通过IIC总线接口获得，然后再通过分析和判断，再对电机进行控制转动，使的平板保持平衡，从而使硬币不掉落平板。
此外，还用到显示频NOKIA5510显示倾斜角度，和语音模块ISD1420。
AbstractThe system uses stc12c5a60s2 monolithic integrated circuits, with a central treatment of electrical stc12c5a60s2 the flat is to reverse the control of a flat spin. the angle from the angle sensor adxl345. the angle of the interface by IIC, and then by analysis and assessment, the motor control of a flat, to balance a coin fall, thereby, not flat. in addition, it is also used to show businesses, and shows lean nokia5510 voice module isd1420.关键词：单片机摆动平板角度传感器目录摘要 (3)第一章系统设计及方案论证与比较 (5)1.1系统总体方案设计 (5)1.2方案的设计与论证 (5)1.2.1控制模块的选择 (5)1.2.2电机的选择 (5)1.2.3电机驱动的选择 (5)第二章理论分析及计算 (6)2.1平板状态测量方法 (6)2.2建模与控制方法 (7)第三章电路与程序设计 (7)3.1硬件电路设计 (7)3.1.1主控电路设计 (7)3.1.2步进电机驱动电路设计 (8)3.1.3角度传感器电路设计 (8)3.2软件程序设计流程 (9)第四章测试结果及分析 (9)4.1测试步骤 (10)4.2测试结果 (10)4.3结果分析 (10)结束语 (11)附件一完整的电路原理图 (12)附件二测试结果 (14)附录三重要的源程序 (15)第一章系统设计及方案论证与比较1.1系统总体方案设计根据题目给定的条件，我们设计的方案总体上由单片机系统模块，电机控制模块，语音模块和传感器模块四部分组成。
A题基于自由摆的平板控制系统
A 题基于自由摆的平板控制系统一、任务设计并制作一个自由摆上的平板控制系统，其结构如图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，平板固定在电机转轴上；当摆杆如图2 摆动时，驱动电机可以控制平板转动。
二、要求1．基本要求（1）控制电机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（360º），偏差绝对值不大于45°。
（2）在平板上粘贴一张画有一组间距为1cm 平行线的打印纸。
用手推动摆杆至一个角度θ（θ在30º～45º间），调整平板角度，在平板中心稳定放置一枚1 元硬币（人民币）；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 5 个摆动周期中不从平板上滑落，并尽量少滑离平板的中心位置。
（3 ）用手推动摆杆至一个角度θ（θ在45 º～60º间），调整平板角度，在平板中心稳定叠放8 枚1 元硬币，见图2；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的 5 个摆动周期中不从平板上滑落，并保持叠放状态。
根据平板上非保持叠放状态及滑落的硬币数计算成绩。
2．发挥部分（1）如图3 所示，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，标识此线为中心线。
用手推动摆杆至一个角度θ（θ在30º～60º间），启动后，系统应在15秒钟内控制平板尽量使激光笔照射在中心线上（偏差绝对值＜1cm ），完成时以LED 指示。
根据光斑偏离中心线的距离计算成绩，超时则视为失败。
（2 ）在上述过程完成后，调整平板，使激光笔照射到中心线上（可人工协助）。
启动后放开让摆杆自由摆动；摆动过程中尽量使激光笔光斑始终瞄准照射在靶纸的中心线上，根据光斑偏离中心线的距离计算成绩。
2011年电子设计竞赛_基于自由摆的平板控制系统【龙哥,尧总,portia】
基于自由摆的平板控制系统一、总体方案设计1.主控系统选择方案一：使用传统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EasyARM1138单片机，它有8通道10位ADC，使用方便且低功耗。
方案比较：综合比较，选择方案三。
2.角度测量方案一：使用双轴倾角传感器SCA103T-D04，测量范围为±15度，可适用于垂直方向的各种角度的测量。
方案二：使用电位器作为角度传感器，由于不同角度输出的电阻值不同，通过AD采样电阻两端电压，计算得到角度。
方案三：使用Angtron-RE-38-V-Lite旋转编码器，角度测量范围为0~360°，根据不同角度，可直接输出不同的电压值，线性度好。
方案比较：对于方案一，虽然SCA103T精度较高，但它是基于加速度原理进行测量，使用SCA103T进行倾角检测时，应保证被测设备匀速运动，否则会引进误差，而在自由摆系统中，平板不是匀速运动。
虽然可以采用峰值滤波和一阶惯性滤波相结合的方式通过软件编程进行处理，但较繁琐。
对于方案二，对于一般的电位器，线性度较差，而对于线性度较好的电位器，如22HP-10等，价格较高。
对于方案三，使用该旋转编码器，可以直接对输出电压进行AD采样，计算得出角度值，使用方便。
综合考虑，选择方案三测量自由摆运动过程中的摆角。
3.电机选择方案一：使用伺服电机作为执行元件，运行精确，能高速制动，惯量小，适合闭环控制。
方案二：使用步进电机作为执行元件，由于步进电机是采用脉冲驱动，精度较高，适合开环控制。
方案比较：对于方案一，虽然伺服电机性能良好，但价格较高。
对于方案二，步进电机可以通过16细分可以减弱低频振动，控制方便，开环性能良好，可以适用于该设计。
基于自由摆的平板控制系统最终年全国大学生电子设计竞赛完整版
基于自由摆的平板控制系统最终年全国大学生电子设计竞赛HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】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（B题）【本科组】2011年9月3日摘要采用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：自由摆 AVR单片机电位器减速步进电机目录基于自由摆的平板控制系统（B题）【本科组】1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。
中央处理器的论证与选择方案一：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：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：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。
电机驱动模块的论证与选择方案一：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。
基于自由摆的平板控制系统1
基于自由摆的平板控制系统（B题）摘要本平板控制系统是基于PIC16F877A单片机为主控芯片，将精确电位器与自由摆顶端相连，利用角度和电阻值的一一对应关系，通过单片机采集精确电位器两端电压的变化，转换为角度数在LCD液晶屏上显示，再经过A/D转换后得出步进电机所需要的脉冲数，来控制步进电机的转动,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。
本自由摆的平板控制系统的静态误差≤5°，采用精确电位器来感应摆角的变化这一设计思路也更加简易、准确，是本系统的亮点。
当自由摆摆动角度与电机旋转角度差别过大时，能够自动调整至稳定。
本系统能够很精确地实现平板的水平控制，是一个很好的自由摆平板控制方案。
关键字PIC16F877A PID控制算法精确电位器步进电机目录1系统方案的比较与选择 (3)1.1 控制器的选择 (3)1.2 算法的选择 (3)1.3 传感器的选择 (3)1.3 机械系统的选择 (3)2系统理论分析与计算 (4)2.1 系统总原理框图 (4)2.2系统理论分析与设计 (5)2.2.1 系统设计的总体思路 (5)2.2.2 分析运算过程 (5)3电路与程序设计 (6)3.1硬件电路的设计 (6)3.1.1 PIC16F877A最小系统的组成 (6)3.1.2 步进电机驱动电路的组成 (8)3.2程序的设计 (8)3.2.1程序功能描述与设计思路 (8)3.2.2程序流程图 (9)4测试方案与测试结果 (10)4.1测试方案 (10)4.2 测试条件与仪器 (11)4.3 测试结果及分析 (11)4.3.1测试结果(数据) (11)4.3.2测试分析与结论 (11)4.4 测试基本要求（发挥） (12)4.5 测试原理图（发挥） (12)4.6 测试结论及分析（发挥） (12)5结束语 (13)附录1：电路原理图 (14)附录1：源程序 (14)附录2：参考文献 (17)1系统方案的比较与选择1.1 控制器的选择方案一、采用最简单的51单片机采集电压数据。
基于自由摆的平板控制系统
基于自由摆的平板控制系统
基于自由摆的平板控制系统是一种将自由摆与平板结合的
控制系统，通过控制自由摆的运动，实现对平板的控制。
这种控制系统可以广泛应用于机器人控制、无人机控制、
航天器控制等领域。
在这种控制系统中，平板通常被固定在一个基座上，自由
摆则被安装在平板上。
自由摆通常由一个摆杆和一个负载
物组成，负载物的位置会影响平板的姿态。
通过改变自由
摆的位置和角度，可以控制平板的姿态。
控制自由摆的运动可以通过多种方式实现，常用的方法包
括PID控制、模糊控制、神经网络控制等。
这些控制方法
可以根据系统的要求和性能进行选择和调整，以实现精确
的平板控制。
此外，为了实现更加稳定和准确的平板控制，还可以结合
传感器和反馈系统。
通过加入陀螺仪、加速度计等传感器，
可以实时监测平板的姿态，并将反馈信号送回控制系统进行调整。
这样可以提高系统的稳定性和精度。
总的来说，基于自由摆的平板控制系统是一种灵活且高效的控制方法，能够实现对平板的精确控制。
它在很多应用中都能发挥重要的作用，特别是在需要保持平板姿态稳定的场合。
基于自由摆的平板控制系统
产品与解决方案2012年第4期 87基于自由摆的平板控制系统王 宁 段卓琳 周 叶（大连海事大学轮机学院，辽宁 大连 116026）摘要 本论文采用角度传感器，运算放大器，AD 转换器采集平板变化信息，通过单片机，产生脉冲信号，控制电机模块驱动步进电机带动平板转动，摆杆角度越大步进电机转过的角度越大，从而控制平板状态基本保持水平，实现自由摆得平板控制。
关键词：角度传感器；电机驱动模块；AT89C511 自由摆的平板系统基本组成原理根据自由摆的平板控制系统的设计要求，电机控制平板，当摆杆移动时要保持平板的平衡，因此需要采用传感器获得摆杆移动的角度值，再通过电机控制平板旋转相应的角度，从而保持平板的水平位置。
其基本组成框图原理如图1所示。
图1采用日本村田公司的ENV05G 陀螺传感器，安装于平板，以获得平板的位置和姿态信息。
当摆杆移动时，平板的水平位置会发生变化，此信号通过调理电路输入到AD0809转换器，单片机获得摆杆的变化信息，控制TA8435芯片，使摆杆上的电机也作相应的旋转，及时调整平板变化位置，从而使平板基本保持水平的位置。
2 硬件电路的设计硬件电路设计包括：传感器与信号采集电路，单片机控制电机电路。
2.1 传感器与信号采集电路的设计传感器采用日本村田公司的ENV05G 陀螺传感器，通过检测，测量角度，实现运动物体的位置控制和姿态控制，它具备高可靠性，高精度，快响应，低噪音特点。
其输出到传感器外围调理电路，是一个由LM324运放组成的二阶压控源RC 低通滤波器，信号从同相端输入，具有较高的输入阻抗，放大器的增益为：A uf =1+R f /R 1=1+33k Ω/56k Ω=1.589。
输出信号首先经R 1/R 3分压，分压比为：56/(33+56)= 0.629，调理电路放大倍数为：0.629×1.589=1，传感器信号调理电路输出即为角度传感器能够输出的角度范围值。
设计中将角度传感器放在摆杆上，从静止开始来回旋转，即可得到摆杆的实时角速度值，再通过软件处理输出角度值。
B-基于自由摆的平板控制系统
方案一：采用超低功耗单片机MSP430单片机作为 控制器。MSP430单片机具有较高的处理速度，中 断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。 但是该单片机通用性较差，性价比相对较低。
方案二：采用51系列单片机，51单片机是比较常用 的8位单片机，MCS-51以其典型的结果和完美的 总线专用寄存器的集中管理，众多的逻辑位操作功 能及面向控制的丰富指令系统，开发简单，价格低 廉通用性好等特点被广泛应用。但其速度不快，12 振荡周期才执行一个单周期命令，适合应用与小型 的控制领域和精度要求不高的环境中，由于其速度 较慢，因此在用于速度要求高的地方，51单片机并 不是最佳的选择。此外，51单片机的耗电比较大。
设计2：
在平板上粘贴一张画有一组间距 为1cm平行线的打印纸。用手推动摆杆 至一个角度Ɵ（ Ɵ在30°~45°间）调 整平板角度，在平板中心稳定放置一枚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5个摆动周期中不从平板上滑落， 并尽量少滑离平板中心位置。
Delay_ms(i); AB; Delay_ms(i); BB; Delay_ms(i); BC; Delay_ms(i); CC; Delay_ms(i); CD; Delay_ms(i); DD; Delay_ms(i); DA; Delay_ms(i);} Delay_ms(i); DD; Delay_ms(i); CD; Delay_ms(i); CC; Delay_ms(i); BC; Delay_ms(i); BB; Delay_ms(i); AB; Delay_ms(i); AA; Delay_ms(i);}
激 光 瞄 准 过 程
（1）静态性能测试 用手推动摆杆摆起一定的角度Ɵ（ Ɵ 在 30°~45°间），利用倾角传感器提供的当前平板 与水平位置的角度，处理器计算出恢复平衡位置所 需要的脉冲个数并发送给步进电机，电机收到驱动 信号后带动平板反方向转动，到达平衡位置时停止 转动。反复调整，确定使步进电机能迅速反应且稳 定工作的运行频率，使平板能尽快恢复水平状态及 其他状态。
基于自由摆的平板控制系统(B题)
基于自由摆的平板控制系统（B题）【本科组】【摘要】：系统主要有摆架框架、数据采集部分、主控板、驱动系统四大部分组成。
本文详细介绍了控制系统的软硬件组成以及控制回路的工作原理。
主控板用STC89C51单片机,把高精度倾角传感器采集到的数据通过积分分离增量式PID控制算法，对步进电机进行实时控制。
本文详细介绍了传感器电路、信号处理电路、单片机最小系统电路、电机驱动电路以及扩展所需的其它一些外围电路设计。
在本设计中为使测控系统控制更精确，在数据采集的过程中采用了非线性误差校正以及数字滤波等数据处理方法。
同时设计中考虑到可能存在的各种干扰因素，采用了软硬件结合的抗干扰技术，提高系统的稳定性。
最后对系统进行了模拟性能测试，测试机过表明，系统性能良好。
【关键词】：STC89C51、自由摆、平衡控制、单轴倾角传感器【Abstract】:The system is mainly formed by the swing frame, data collection part, main control board and drive system. This thesis introduces control system’s software and hardware composition as well as control loop’s operation principle in detail. The data collection part uses high precision and low range acceleration inclination senor. The main control rule uses integral separation incremental PID control algorithm.In order to make the systems control to be more precise, the project uses non-liner error correction, digital filtering and other data processing methods in the process of data collection. The design also considers the possibility variety of interfering factors that may exist, and uses a combination of hardware and software anti-interference technology to improve system stability. In the end, paper carries out simulation system performance test, and test results show that the system performs well as expected.【Keyword】:STC89C51，balance control，f ree pendulum，Single-axis tilt sensor目录1系统方案 (4)1.1系统总体方案设计与结构框图 (4)1.2方案论证与比较 (5)1.2.1 控制器模块 (5)1.2.2步进电机模块 (5)1.2.3 电源模块 (5)1.2.4 角度传感器模块 (5)1.2.5 显示模块 (6)2理论分析与计算 (6)2.1 理论分析 (6)2.1.1 基本要求部分 (6)2.1.2 发挥部分分析 (8)3 电路与程序设计 (9)3.1 系统电路设计 (9)3.1.1 单片机最小系统电路图 (9)3.1.2步进电机驱动电路 (10)3.1.3 按键电路 (11)3.1.4 角度传感器的电路 (11)3.1.5 显示模块 (13)3.2 软件设计 (13)4 测试方案与测试结果 (15)4.1 系统调试 (15)4.2调试结果 (15)4.3 测试结果与分析 (16)参考文献： (17)附： (17)1 系统原理总图 (17)2 主程序代码 (17)1系统方案1.1系统总体方案设计与结构框图自由摆平板控制系统由控制器模块、数据采集模块、角度传感器模块、步进电机模块、电源模块、显示模块组成。
基于自由摆的平板控制系统(ysj)资料
基于自由摆的平板控制系统摘要本系统以由msp430F149单片机作为中心控制系统，由角度监测模块、电机驱动模块、液晶显示模块、键盘模块和电源电路组成。
角度监测模块采用三轴加速度传感器mma7361，实时测量平板与水平面的角度，通过多次采集取平均值的方法基于倾角转换公式将所采样的数据转换成角度反馈给单片机，从而控制步进电机转动相应的角度，使物体能始终保持平衡，并通过液晶实时显示所转过的角度。
电机驱动部分使用SM-202A细分驱动驱动步进电机精确地控制平板转动相应角度。
最后通过传感器采集的角度实时控制电机旋转相应角度以使激光笔始终照射在水平线附近。
本操作简单，控制界面直观、简洁，经检验系统性能指标达到了设计要求，工作可靠，功耗低，具有良好的人机交互性能。
关键词：平衡控制、msp430单片机、角度传感器、步进电机目录1、引言 (1)2、系统方案 (1)2.1控制器模块的论证与选择 (1)2.2角度检测模块的论证与选择 (1)2.3电机的论证与选择 (1)2.4显示模块的论证与选择 (2)3、理论分析与设计........................................ (2)3.1摆杆摆一个周期平板转一周 (2)3.2硬币不滑落的建模与计算 (2)3.3使激光笔始终照射在中心线附近的建模与计算 (3)4、电路与程序设计 (3)4.1模块设计 (3)4.1.1系统总体框图 (3)4.1.2角度检测模块设计 (4)4.1.3电机驱动模块设计 (4)4.2程序设计 (5)4.2.1程序功能描述与设计思路 (5)4.2.2程序流程图 (5)5、测试方案与测试结果 (6)5.1测试方案 (6)5.1.1硬件测试 (6)5.1.2软件仿真测试 (6)5.1.3硬件软件联调 (6)5.2测试条件与仪器 (6)5.3测试结果及分析 (6)6、设计总结 (8)附录...................................... . . . . . . . .. (9)一、引言随着单片机的不断普及，其与传感器的结合也在相关领域应用得越来越广泛，尤其在自动控制领域更是得到了管广泛应用，本系统正是在这样的背景下应用单片机与传感器进行设计制作。
电赛论文模板 - 最终
2015年全国大学生电子设计竞赛基于自由摆的平板控制系统（B题）【本科组】2015年8月15日摘要本系统以STM32F103ZET6单片机为控制核心，由独立按键选择控制OLED菜单，实现不同过程的切换，经过角度传感器得到自由摆由初始位置摆过的角度，并将数据传递给单片机，通过相应数学及物理公式运算，最终实现题目要求的任务。
其中，平板控制部分使用减速步进电机及相应驱动器，增加了扭矩与控制精度，并采用加速度传感器读取数据，运用三角函数计算控制平板的角度，使激光在摆动中保持打在靶上同一点。
本系统具有工作精度高、反应快速准确、制作材料简易等优点。
目的、方法、结果、结论，突出方法和结果，关键词：平板控制，自由摆，减速步进电机，旋转编码器，姿态解算AbstractSTM32F103VET6 single chip microcomputer as control core, this system is controlled by a separate button to choose OLED menu, implement different switching process, after a free pendulum Angle sensor by the initial position Angle, and pass the data to the microcontroller, through the corresponding mathematical and physical formula calculation, finally realizes the topic request task. Among them, the flat control part used to slow down and stepper motor drives, increase the torque and the control precision, and USES the acceleration sensor reading data, trigonometric function calculation is used to control the Angle of the plate, keep in laser oscillation in the same point on the target. This system has high precision, quick response and accurate, simple production materials, etc.Key words：Tablet control, free pendulum, slow stepper motor, rotary encoder, the attitude algorithm目录1系统方案 (1)1.1 XXXX的论证与选择 (1)1.2 XXXX的论证与选择 (1)1.3 控制系统的论证与选择 (1)2系统理论分析与计算 (1)2.1 XXXX的分析 (1)2.1.1 XXX (1)2.1.2 XXX (1)2.1.3 XXX (1)2.2 XXXX的计算 (1)2.2.1 XXX (1)2.2.2 XXX (2)2.2.3 XXX (2)2.3 XXXX的计算 (2)2.3.1 XXX (2)2.3.2 XXX (2)2.3.3 XXX (2)3电路与程序设计 (2)3.1电路的设计 (2)3.1.1系统总体框图 (2)3.1.2 XXXX子系统框图与电路原理图 (2)3.1.3 XXXX子系统框图与电路原理图 (2)3.1.4电源 (2)3.2程序的设计 (3)3.2.1程序功能描述与设计思路 (3)3.2.2程序流程图 (3)4测试方案与测试结果 (3)4.1测试方案 (3)4.2 测试条件与仪器 (3)4.3 测试结果及分析 (4)4.3.1测试结果(数据) (4)4.3.2测试分析与结论 (4)附录1：电路原理图 (5)附录2：源程序 (6)XXXXXXX（B题）【本科组】1系统方案本系统主要由XXX模块、XXX模块、XXX模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
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基于自由摆的平板控制系统
摘要：本设计以STM32F103单片机为主控芯片，以角速度传感器加速度传感器光电旋转编码器和电机驱动电路为核心。
在杆摆动的过程中，用单片机对三路传感器数据进行采集，然后把三者值进行综合分析后再通过DS335两相细分步进电机驱动器控制步进电机和舵机，实现电机随着摆杆的摆动而正反转和停止转动的功能，从而使平板随着摆杆的摆动而旋转，使平板上的物品在摆杆的摆动过程中不会掉落，以及使平板始终保持在一个水平面上。
关键词：STM32F103单片机角速度传感器加速度传感器光电旋转编码器两相细分步进电机驱动器步进电机舵机
目录1系统方案
1.1主控芯片的方案与选择
1.2传感器的方案与选择
1.3 电机以及电机驱动的方案与选择
1.4 系统初始启动的方案与选择
2系统理论分析与计算
2.1平板状态的分析与计算
2.2自由摆运动过程的分析与计算
2.3激光管照射模块的分析与计算
3电路与程序设计
3.1系统总体框图
3.2步进电机驱动电路图
3.3传感器电路图
3.4程序流程图
4测试方案与测试结果
4.1测试仪器与测试方案
4.2主要测试结果
4.3测试结果分析
附录1：电路原理图
附录2：源程序
自由摆的平板控制系统（B题）
【本科组】
1系统方案
本系统主要由传感器模块、电机模块、初始启动模块、控制模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1主控芯片的方案与选择
方案一：使用传统的51单片机作为主控制器，价格低廉，但其运算速度慢，且片内资源少，存贮量小，难以实现复杂的算法。
方案二：使用TI公司的MSP430单片机作为主控制器，价格低廉，片内资源多，但其运算速度慢，难以对传感器的值进行实时的有效处理。
方案三：使用基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103单片机作为主控制器，片内资源多，运算速度快，可以很快处理数据从而控制电机的运动，实时性高，控制的准确性高。
方案比较：综合比较，选择方案三。
1.2传感器的方案与选择
方案一：使用双轴倾角传感器SCA103T-D04，测量范围正负15度，可适用于垂直方向的各种角度的测量。
方案二：使用电位器作为角度传感器，由于不同角度输出的电阻值不同，通过AD采样电阻两端电压，计算得到角度。
方案三：使用光电旋转编码器，体积小，安装方便，性价比高，可准确测量物体的旋转速度、角度、加速度以及长度。
方案四：使用角速度传感器和陀螺仪传感器，对其数值综合得到旋转角度。
综合比较：对于方案一，虽然SCA103T精度高，但它是基于加速度原理进行测量，在对倾角检测时，应保证被检测设备匀速运动，否则会引进误差。
而在自由摆中，平板不可能做匀速运动，虽然可以采用峰值滤波和一阶惯性滤波相结合的方式通过软件编程进行处理，但比较繁琐，并且在不同角度需做不同的算法处理。
对于方案二，对于一般的电位器，线性度较差，而对于线性度较好的电位器，价格昂贵。
对于方案三，使用旋转编码器，可以直接对输出电压进行ＡＤ采样，计算得出角度值，但有时候测出的值不准确。
对于方案四，所用传感器价格便宜，测量数据准确，但是在摆杆摆动过程中，会发生抖动，从而所得的值也会有上下波动。
综合考虑，结合方案三和方案四来测量自由摆运动过程中的倾角，利用方案四对方案三进行校准。
1.3电机以及电机驱动方案的与选择
方案一：使用伺服电机作为执行元件，运行精确，可高速制动，惯性小，适合闭环控制，电机驱动选择L298驱动芯片，该芯片内含两个H桥式电机驱动电路，其优点在与驱动电流大，工作稳定，但不可细分。
方案二：使用步进电机作为执行软件，由于步进电机是采用脉冲驱动，精度较高，适合开环控制，电机驱动采用DS335两相细分步进电机驱动器，该驱动器不仅驱动电流大，而且还可细分，从而使得电机的转动步子更为精确。
方案比较：综合比较，选择方案二。
1.4系统初始启动的方案与选择
方案一：采用人工手动的方式，人为的开始启动，这样很难做到程序的启动和摆杆启动的统一。
方案二：使用一个舵机，把摆杆挂在脱机上，当程序开始运行时，首先给舵机一个信号让其释放摆杆，可以达到程序运行和摆杆释放上动作的统一，可避免由于时间的烟雾而产生误差。
方案比较：综合考虑，选择方案二。
2系统理论分析与计算
2.1平板状态的分析与计算
初试状态时，平板与摆杆垂直，当逆时针移动摆杆，由旋转编码器可以测得摆杆与垂直的角度θ,由按键逐步调整平板角度，有控制器记录，平板顺时针转动可α，则平板与水平面夹角为β=θ-α。
2.2自由摆运动过程的分析与计算
自由摆AB从自然下垂状态逆时针摆动θ后到达AB’处，如图1所示，假设平板与水平面夹角为β，做辅助线CD⊥AB’,则α=θ-β，ɡ=90°-θ，对平板上的一硬币进行受力分析，易知Fn=mg*cosβ,，由于硬币的摩擦系数极小，从而摩擦力忽略不计，整个平板沿CD方向的加速度为g*sinθ,为了使硬币不从平板上滑落，硬币沿CD方向的加速度
g*cosθ-g*cosβ*sinα=g*sinθ,，联立以上各式，可知β=θ，即在自由摆的运动过程中，平板应于摆杆始终保持垂直。
2.3激光照射模块的分析与计算
AB为自由摆，长度为100cm，若逆时针旋转θ后位置为AB’,如图2所示，为了使激光笔照射到中心线上，步进电机需要顺时针旋转α角度，计算如下：r=90°-θ,α=180°-β-α；
若顺时针旋转θ后位置为AB’，如图3所示，为了使激光笔照射到中心线上，步进电机需要顺时针旋转α角度，计算如下：α=θ-β；
图1 硬币受力分析示意图 图2 自由摆逆时针旋转摆动示意图
图3 自由摆顺时针旋转摆动示意图 3电路与程序设计
3.1系统总体框图 系统总体框图如下图所示
主控制器
STM32F103
角速度检测模块 陀螺仪模块
光电旋转编码器模块
电源模块
键盘模块
步进电机模块
舵机模块
3.2电机驱动原理图 3.3传感器原理图 3.4程序流程图如下：
4测试方案与测试结果 4.1测试仪器与测试方案
4.1.1测试仪器：
SS1792型可跟踪直流稳定电源，MS8260D 数字万用表，DS1062E-EDU 数字示波器，米尺，坐标纸。
开始
初始化 菜单选择 平板旋转3~5周
放硬币摆动
固定角度找点
摆杆摆动找点
初试角度调节
舵机是否启动
调整步进电机 结束 是
否
4.1.2主要测试方案
4.1.2.1 对于基本要求一，分别使摆杆在30°45°60°位置开始摆动，读取5个周
期后步进电机偏差的绝对值，结果如图表1. 4.1.2.2 对于基本要求二，分别将摆杆放置30°45°位置开始摆动，测量一枚硬币
偏离平板中心的偏差，结果如图表2。
4.1.2.3 对于基本要求三，分别将摆杆放置45°60°位置开始摆动，测量八枚硬币
偏离平板中心的偏差，结果如图表3。
4.1.2.4 对于发挥部分一，分别将摆杆在45°60°位置固定，测量激光笔光斑偏离
中心线的距离，结果如图表4。
4.1.2.5 对于发挥部分二，使摆杆自由摆动，测量激光笔光斑偏离中心线的距离，结
果如图表5。
4.1.2.6 其它，将摆杆放置60°位置开始摆动，测量12枚硬币偏离平板中心线的偏
差，结果如图表6。
4.2主要测试结果 表1 基本要求一
表2 基本要求二
表3 基本要求三
起始角度 30° 45° 60° 偏差角度值
23° 7° 32°
次数/偏差值
30° 45° 1 1mm 1.5mm 2 0 0.5mm 3 0 0 平均 0.33mm 0.66mm
次数/滑落硬币数
45° 60° 1 0 0 2 0 0 3 0 0 平均 0 0
表4 发挥部分一
表5 发挥部分二
表6 其他部分
4.3测试结果分析
有上表测得的数据可知，本设计顺利而准确的完成了所有的基本要求，并且在基本要求的前提下增加了难度，完成了12枚硬币不脱落的情况，而对于发挥部分，由于机械结构的原因，我们只是较好完成了第一项，而第二项，还存在较大的偏差，有待继续改进。
次数/偏离中心线距离
45° 60° 1 0.8cm 1.8cm 2 0.5cm 0.6cm 3 1cm 1.5cm 平均 0.77cm 1.3cm
次数/偏离中心线距离
45° 60° 1 3cm 2.5cm 2 2.8cm 2.7cm 平均 2.9cm 2.6cm
次数/滑落硬币数
60° 1 0 2 0 3 0 平均 0。