基于自由摆的平板控制系统论文

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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[001]

基于自由摆的平板控制系统引言自由摆是一个常见的物理系统，其在控制工程中具有广泛的应用。

本文将介绍基于自由摆的平板控制系统，包括系统的结构、控制器设计、实施与结果分析等内容。

系统结构平板控制系统由一个平板和一个自由摆组成。

平板通过悬臂连接到摆杆，而摆杆则通过铰链连接到固定的支架上。

摆杆上安装有传感器，用于测量摆杆的角度。

控制器根据测量值计算并控制平板的运动。

控制器设计平板控制系统的目标是使得平板保持水平，即控制摆杆的角度。

为了实现这个目标，我们设计了一个基于PID控制器的闭环控制系统。

PID控制器由比例项、积分项和微分项组成，分别负责控制系统的响应速度、稳态误差和稳定性。

比例项比例控制通过将当前误差乘以一个比例增益来产生控制量。

在平板控制系统中，比例项负责响应速度，即控制系统对误差的快速反应。

通过调整比例增益，我们可以控制系统的响应速度，但需要注意的是，如果比例增益设置过大，可能导致系统不稳定。

积分项积分控制通过对误差的累积进行控制。

在平板控制系统中，积分项负责消除稳态误差，即平板保持在水平位置时的偏差。

通过调整积分增益，我们可以减小或消除稳态误差，但需要注意的是，如果积分增益设置过大，可能导致系统不稳定。

微分项微分控制通过对误差的变化率进行控制。

在平板控制系统中，微分项负责增加系统的稳定性，防止系统产生过冲现象。

通过调整微分增益，我们可以控制系统的稳定性，但需要注意的是，如果微分增益设置过大，可能导致系统不稳定。

实施与结果分析为了实施基于自由摆的平板控制系统，我们首先搭建了实验装置，并进行了实验测试。

通过对实验数据的分析和处理，我们得到了系统的动态特性，并据此进行控制器参数的调整。

经过多次调参和测试，我们最终得到了一个稳定且快速响应的控制系统。

在平板保持水平的情况下，我们对系统进行了稳态误差分析，并对控制效果进行了进一步的验证。

结果分析显示，通过PID控制器，我们成功地控制了平板的运动，使其保持在水平位置。

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摘要：本设计给出了以MSP430F149为核心的平板控制系统的基本原理与实现方案。

由倾角测量模块、电机驱动模块、显示模块、按键模块、测速模块组成。

以步进电机控制平板转动；以细分器作为电机驱动芯片。

采用MMA7361倾角传感器，可实现倾角精确测量，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，精确地控制步进电机转动相应的步数。

系统功能由按键控制，可对测量结果进行实时显示，人机交互界面友好，经测试，达到了较好的性能指标。

关键词：MSP430F149，倾角传感器，电机驱动，AD转换Based on the tablet freependulum control systemAbstract: This design gives the tablet with MSP430F149 as the core control system of the basic principle and implementation scheme. By the Angle measurement module, motor drive module, display module, keys module, log module. Stepper motor control flat rotation. In fine instrument as the motor driver chip. MMA7361 obliquity sensor, and can realize Angle measuring precision, and single chip microcomputer Angle changes, according to the collected using adaptive algorithm to calculate the tablet should turn Angle, Angle of the plate was made just satisfy tablet to force of the coin (upward force and friction force) in the horizontal component of just a supply of COINS needed for lateral acceleration force. Then according to the step motor from the feet, precise control of stepping motor rotation corresponding steps. System controlled by the button function, can the measuring results are real-time display, friendly man-machine interface, the test and achieved better performance indicators. Keywords:MSP430F149 Inclination sensor motor driver AD conversion1、系统方案设计与论证1.1 系统总体方案设计单片机通过角位移传感器采集摆杆摆角，通过编码器采集摆杆转速，然后进行A/D 转换，角位移传感器采集摆杆角度和编码器采集的转速经A/D 转换后反馈给单片机，单片机根据反馈值对平板角度进行相应调整，通过细分器驱动步进电机控制平板旋转合适角度。

基于自由摆的平板控制系统设计学士学位论文

学士学位论文基于自由摆的平板控制系统设计姓名：颜芳学号：200905120342指导教师：李爱云院系(部所)：光电工程学院专业：电子信息工程完成日期：2013年05月15日学士学位论文基于自由摆的平板控制系统设计姓名：颜芳学号：200905120342指导教师：李爱云院系(部所)：光电工程学院专业：电子信息工程完成日期：2013年05月15日摘要本系统是STC12C5A60S2基于单片机为控制核心的平板控制系统。

通过单片机对MMA7455倾角传感器数据采集与处理，控制L298N电机驱动，调整57BYG 步进电机的转动，实现平板跟随自由摆的摆动而周期性旋转，可以通过控制平板运动使8枚叠放硬币在自由摆运动过程中静止。

在实现平板控制系统基本功能的同时，利用MMA7455倾角传感器实时检测自由摆摆动的角度，运用查表法实现激光笔照射中心线的功能。

在以上功能实现的同时使用TFT彩色液晶屏显示MMA7455倾角传感器的三轴变化情况，采用触摸键盘替代按键进行功能设定与选择,充分的体现了本系统的协调性与实用性。

关键词: STC12C5A60S2E；57BYG；MMA7455；TFT触摸屏AbstractThe flat control system is based on the single chip STC12C5A60S2 as control core. Through to MMA7455 inclination angle sensor data changeacquisition and processing, controls the L298N motor-driven to realize 57BYGto stepper motor's angle adjustment, achieve the flat periodic rotating with thewaver of free-pendulum. Through control the flat movement to prevent 8 piecescoins movement when the free pendulum motor processing.While realizes the flat control system basic function，use the MMA7455 inclination angle sensor detect the angle of the free-swinging pendulum, and use table look-up method realize the function of the laser pen illuminating the center line. Realizing the function of the above at the same time, demonstrates the MMA7455 inclination angle sensor's three axis change situation through the TFT colored touching liquid crystal module. Use touch-screen substitution pressed key carry on the different function settings and the choice and fully embodies the coordination and practical of the system in the end.Keyword: STC12C5A60S2, 57BYG, MMA7455, TFT torch screen目录第1章绪论 (1)第2章系统方案论证与比较 (2)2.1基本要求 (2)2.2论证与比较 (2)第3章理论分析与设计 (4)3.1平板状态测量方法 (4)3.1.1硬币的受力分析： (4)3.1.2平板状态分析： (5)第4章电路与程序设计 (6)4.1电路设计 (6)4.1.1.电源电路设计 (6)4.1.2 STC12C5A60S2最小系统 (7)4.2单元设计 (7)4.2.1主控板单元 (7)4.2.2驱动系统单元 (8)4.2.3数据采集单元 (10)4.2.4 LCD液晶显示单元 (10)第5章测试方案与测试结果 (12)5.1对于基本要求（1）的测试方案: (12)5.2对于基本要求（2）（3）的测试方案： (12)第6章总结 (13)参考文献 (14)致谢 (16)第1章绪论单片机是当今应用越来越广泛的一个装置，渗透到我们生活的各个领域，在1971年诞生以来，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段，随着工业控制领域要求的提高和消费电子产品的大发展，单片机技术得到了飞速发展。

基于自由摆的平板控制系统

基于自由摆的平板控制系统引言平板控制在工业自动化和机器人技术中具有广泛应用。

基于自由摆的平板控制系统可以通过控制平板的运动来实现对系统的控制以及稳定性的提高。

本文将介绍基于自由摆的平板控制系统的原理、设计和实现。

自由摆的基本原理自由摆是一个简单的振动系统，由一个固定在一端的杆和一个可以在杆上摆动的质点组成。

自由摆的振动受重力和摩擦力的影响。

通过控制摆动的角度和速度，可以实现对平板的控制。

基于自由摆的平板控制系统利用这一原理，通过控制摆动的力，使平板能够保持平衡或者按照指定轨迹移动。

平板控制系统的设计平板控制系统的设计涉及到以下几个方面：1. 传感器平板控制系统需要获取平板当前的角度和速度信息，以便进行控制。

常用的传感器包括陀螺仪和加速度计。

陀螺仪用于测量平板的角速度，而加速度计用于测量平板的加速度。

2. 控制算法基于自由摆的平板控制系统需要设计合适的控制算法来对平板进行控制。

常见的控制算法包括PID控制算法、模糊控制算法和神经网络控制算法等。

根据实际需求和系统性能要求，选择合适的控制算法进行设计和实现。

3. 执行机构平板控制系统需要一个执行机构来实现对平板的控制。

常用的执行机构包括电机和伺服驱动器。

电机用于提供动力，伺服驱动器用于控制电机的运动。

4. 控制器平板控制系统需要一个控制器来组织传感器、控制算法和执行机构的协调工作。

控制器负责接收传感器的数据，经过控制算法计算得到控制信号，然后通过执行机构实施控制。

平板控制系统的实现实现基于自由摆的平板控制系统需要按照以下步骤进行：1.硬件设计：确定所需传感器、执行机构和控制器，并设计相应的电路板和机械结构。

2.软件开发：编写控制算法和控制器的软件程序，进行传感器数据的读取和控制信号的输出。

3.系统集成：将硬件和软件进行集成，进行相应的调试和优化。

4.系统测试：对平板控制系统进行功能测试和性能测试，检验系统的稳定性和控制效果。

结论基于自由摆的平板控制系统是一种常见的控制系统，在工业自动化和机器人技术中具有广阔的应用前景。

基于自由摆的平板控制系统

基于自由摆的平板控制系统中文摘要：本系统设计了一个基于自由摆的平板控制系统，由传感器模块、控制驱动模块、电机执行机构和自由摆等部分组成的闭环控制系统。

角度测量使用三向加速度传感器MMA7361，主控板采用宏晶公司的单时钟周期的单片机STC12C5A60S2为控制核心，平板转动采用39HS02步进电机控制，控制规律采用PID控制算法。

根据加速度传感器测得摆杆与平板的当前角度，MCU控制步进电机转动，实现硬币平衡与激光笔的跟随靶线。

本文简单介绍了系统的组成和工作原理、理论分析与计算、硬件与软件设计，并给出了系统的电路。

测试结果表明：电机可以高精度的控制平板的转动，并实现了硬币不从平衡板上滑落和激光笔的光斑在静态和动态时偏离中心线的距离比较小。

关键词：加速度传感器，步进电机，平板控制，硬币，激光笔English abstract：The system designs a panel control system based on a free pendulum, is mainly formed by the sensor part, drive system, motor actuating mechanism and free pendulum frame. It is a closed loop control system. Tilt angles are measured by using a three axis accelerometer sensor MMA7361, the main control board adopts a singlechip STC12C5A60S2 which has single clock cycle of Hong Jing company as the core processor of the control system, The panel rotation are controlled by using the stepper motor 39HS02.The control rules uses PID control algorithm. According to the present angles which are measured by accelerometer sensor between free pendulum and flat, stepper motor rotation are controlled by MCU, realizing the functions of coins balance and laser pen following target line. This thesis simply introduces the system composition and working principle, theoretical analysis and calculation, designs of hardware and software, the system circuits are drawn. The testes results show that, the panel rotated are controlled by motor with high accuracy, the coins don’t slide off the balance panel, the laser pen don’t deviate from the center line.Keywords:accelerometer sensor, stepper motor, panel control, coins, laser pen一、方案论证与理论分析1. 平板状态测量与调整（1）硬币平衡为了平衡板上的硬币不滑落，方案如下：方案一：当硬币所受合力为零时，即当摆杆自由摆动时，平板与水平面时刻保持平行，如此，可以检测平板与水平面的夹角，对平板开环控制，以调整角为零。

基于自由摆的平板控制系统 (2)

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常见的控制系统，常见
于气动、航空、机械等领域的平衡控制中。

自由摆是一个由摆杆和摆球组成的系统，摆杆与地面垂直，摆球可以沿水平方向摆动。

该系统受到外部扰动（如风力、力矩等）的影响，产生不稳定的摆动。

平板控制系统的目
标是通过传感器感知摆球的运动状态，然后通过控制器下
达指令，通过执行器对摆球进行控制，使得摆球保持平衡。

平板控制系统的基本原理是通过负反馈控制来实现。

传感
器会测量摆球的位置和速度，并将这些信息反馈给控制器。

控制器分析这些信息，并根据设定的控制策略计算出控制
命令。

执行器将控制命令转化为相应的动作，如施加力矩
或改变摆球的位置。

摆球的反馈信号再次被传感器检测到，从而形成一个闭环反馈控制系统，通过不断的调整和校正，使得摆球保持平衡。

这种平板控制系统可以应用于很多领域，例如飞机的平衡控制，风力发电机组的控制，机器人的姿态控制等。

通过合理的控制策略和算法设计，可以实现较好的控制效果，提高系统的稳定性和响应性能。

总结起来，基于自由摆的平板控制系统是一种通过传感器感知摆球状态，控制器计算控制命令，执行器对摆球进行控制的系统，以实现对摆球的平衡控制。

论文基于自由板的平板控制系统10

目录目录 (1)摘要 (1)Abstract (3)1.系统方案 (4)1.1 系统设计要求 (4)1.2 实现方法 (4)1.3 方案选择与论证 (4)1.3.1 控制器模块 (4)1.3.2 角度检测模块 (5)1.3.3 电机模块 (5)1.3.4 显示模块 (5)1.4 系统设计 (5)1.5 结构框图 (5)2. 理论分析 (6)3. 检测与驱动电路设计 (7)4. 软件设计与工作流程图 (7)4.1 软件设计 (7)4.2 工作流程图 (8)5. 结果分析 (8)6. 总结 (9)7. 参考文献 (9)附录…………………………………………………………………………2011年B题基于自由板的平板控制系统本系统以STC89C51单片机为控制中心，辅以必要的外围电路，以MX2125倾角传感器测量摆杆竖直方向倾角。

基于自由板的平板控制系统摘要本设计分析了系统的结构和特点，阐述了系统设计要求、设计方案和实现方法，并结合现代控制技术、微机技术以及单片机AT89C52处理器为代表的微电子技术设计了自由摆平衡控制系统。

考虑到步进电机有定位精确、操作简单等特点，通过双轴加速度传感器测量自由摆与竖直方向的夹角，系统通过步进电机控制调整平板与摆杆间的角度，同时采用四位数码管将角度动态显示出来，从而使硬币达到在平板上稳定的目的。

最后的实验表明，系统达到了设计要求，完成了基本和发挥部分的要求。

系统的软硬件设计都采用了模块化的设计思想。

硬件方面详细介绍了传感器电路、信号调理电路、AT89C51最小系统电路、电机驱动电路以及系统扩展所需的其它一些外围电路的设计。

软件方面以硬件电路为基础分别进行了模块化设计。

为使系统控制更精确，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，测试结果表明，系统性能良好。

基于自由摆的平板控制系统设计

基于自由摆的平板控制系统设计摘要：实现基于自由摆的平板控制系统的设计要求，以SPCE061A单片机为主控制器，以1‰精度单圈电位器为角度传感器，配以16位高精度模数转换器AD7705实现角度测量，采用步进电机做为执行机构，配以能16细分的TB6560为电机驱动芯片，实现0.1125？觷步进角，从而构成闭环控制系统。

实验表明，系统完全达到了设计要求，还增加了多种创新功能。

关键词：SPCE061A；1‰精度电位器；AD7705；TB65601.1 方案框架1.1.1 主控制器的选择采用SPCE061A单片机来实现，运算速度高，带语音功能，易于在线仿真调试。

1.1.2 传感器的选择采用1‰精度单圈电位器WDD35D，将摆杆摆动转换为电位器转动，只要测量输出电压的变化即可确定角度。

电位器有高线性度和基本无需反应时间即可跟踪摆杆的特点。

1.1.3 AD转换器的选择采用16位模数转换器AD7705。

分辨率为1/65 536，最小可识别电压为0.000038 V，最小可识别的角度为0.002？觷，精度可达系统要求。

1.1.4 电机的选择由于步进电机可以进行精确角度控制，并能记住位置，自己构成闭环控制，可实现设计要求。

1.1.5 电机驱动的选择常用步进电机步进角1.8？觷，为实现精确控制，需选用16细分驱动器。

TB6560驱动芯片，可实现双向控制，且具有耐压40 VDC，电流3.5 A（峰值），多种细分可选（1/1、1/2、1/8、1/16）和衰减方式分段可调等优点。

1.1.6 其它电路选择系统采用常用OCMJ4×8 C液晶显示，选择1*4行列式键盘，采用凌阳单片机自带语音功能。

1.2 系统设计以SPCE061A凌阳单片机为主控制器，以1‰精度单圈电位器为角度传感器，配以16位高精度模数转换器AD7705实现角度测量，采用步进电机做为执行机构，配以能16细分的TB6560为电机驱动芯片，实现0.1125？觷步进角，从而构成自由摆控制系统，并增加了液晶显示和语音播报等功能。

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。

基于单片机自由摆平衡板控制系统设计

基于单片机自由摆平衡板控制系统设计自由摆平衡板是一种利用现代科技与物理原理相结合的新型运动设备，它既具有娱乐性又有锻炼身体的功效。

随着社会的进步和科技的发展，越来越多的人开始注重健康和运动，因此自由摆平衡板成为了一种受欢迎的运动方式。

然而，一台稳定、高效的自由摆平衡板需要先进的控制系统来实现。

在当前的科技环境下，单片机作为一种主控芯片，被广泛应用于各类控制系统中。

在自由摆平衡板控制系统设计中，单片机扮演了至关重要的角色。

单片机可以通过内置的模拟输入输出接口来感知摆板的状态，通过程序设计来控制电机的转速，从而实现平衡板的平衡。

单片机不仅能够提高自由摆平衡板的稳定性，还可以实现各种功能，如倾斜角度检测、速度控制等。

因此，基于单片机的自由摆平衡板控制系统设计成为了一种创新且高效的解决方案。

为了实现自由摆平衡板控制系统的设计，首先需要对自由摆平衡板的原理和结构有充分的了解。

自由摆平衡板主要由底座、摆板、传感器、电机等部件组成。

底座是支撑整个设备的主体结构，摆板则是承载用户并进行倾斜运动的平台。

传感器用于感知摆板的倾斜角度，电机则用于根据传感器的信号来实现自由摆平衡板的控制。

在系统设计的初期，需要对这些部件的性能和工作原理进行详细的分析和测试。

在控制系统设计的过程中，需要考虑到摆板的倾斜角度、速度和加速度等因素。

单片机可以通过内置的PID控制算法来实现对这些参数的准确控制，从而实现对自由摆平衡板的实时控制。

PID控制算法是一种经典的反馈控制算法，通过调节比例、积分和微分三个参数来实现对系统的稳定性和响应速度的优化。

在自由摆平衡板控制系统设计中，PID控制算法的应用可以大大提高系统的稳定性和控制精度。

除了PID控制算法，单片机还可以通过其他高级控制算法来实现自由摆平衡板的控制。

例如，模糊控制算法可以在一定程度上提高系统的适应性和鲁棒性，神经网络控制算法可以实现对系统的自学习和自适应。

这些高级控制算法的应用可以进一步提升自由摆平衡板控制系统的性能和智能化水平。

基于自由摆的平板控制系统设计

基于自由摆的平板控制系统设计摘要:本系统采用8位精简指令集高性价比的ATmeag32单片机作为主控芯片，利用步进电机驱动平板的转动。

模拟倾角传感器WQ36-90实现摆杆摆角的测量，三轴数字加速度传感器MMA7455模块实现平板倾角的测量。

利用延时方式对步进电机进行精确无重叠的控制，配合2个传感使整个系统构成闭环控制系统。

系统的功能切换靠4位拨码开关实现，部分触发功能利用按键进行触发。

系统配备LED和蜂鸣器作为声光指示，12864液晶屏用于显示调整时间和文字提示等功能，整体构成一个良好的人机交互界面。

整个系统在程序的协调下正常稳定的运行，较精确的达到了题目的各项指标要求。

关键字：自由摆控制，ATmeag32，步进电机，倾角传感器WQ36-90，三轴加速度传感器MMA7455，闭环系统一、方案论证与比较1．系统控制方案论证与比较方案一：开环控制方式系统只采用1个倾角传感器测量摆杆摆角，再利用三角函数关系得到电机转角，即平板转角。

这种控制方式的主要优点是系统软硬件的设计相对简单，但对于材料形变、摆杆尺寸及电机安装精度等诸多因素引起的误差系统没有自适应性，难于进行实时校正。

一旦运行时间较长，系统误差积累将导致控制失败。

方案二：闭环控制方式系统采用2个角度传感器：一个用于测量摆杆的摆角，另一个用于测量平板倾角。

2个传感器构成闭环的控制系统，使系统产生的各种误差都能通过2个传感器的相互对比校正加以消除，从本质上解决系统误差的影响。

对比以上两方案，考虑到系统控制精度要求高，因此选用方案二构建系统。

2．模块方案论证与比较2.1主控芯片方案一：选用51系列单片机51系列单片机具有开发简单、资料和应用实例丰富、技术成熟以及价格低廉等优势，但是由于采用的是复杂指令集，限制了其运行速度，并且系统资源很少。

片上没有集成时下常用的SPI、I2C、ADC等接口或功能，这大大的限制了它的使用范围。

因此，51单片机只适用于一些精度要求不高，对成本敏感的控制场合。

基于自由摆的平板控制系统设计

基于自由摆的平板控制系统设计摘要：基于自由摆的平板控制系统主要由摆架框架、数据采集部分、主控板和驱动系统四大部分组成。

摆架框架主要由固定支架、摆杆和平板构成。

数据采集使用了高精度低量程的加速度传感器MMA7361L；主控板以ATMEL公司8位单片机AT89S52为控制核心；驱动系统采用了WWX系列的步进电机。

自由摆的运动为连续的控制过程，控制规律采用了基于拉格朗日方程的平板状态反馈控制算法。

系统经测试表明，控制精度高，稳定性好。

关键词：平板控制系统；加速度传感器；步进电机；反馈控制算法一、系统整体方案自由摆平板控制系统是由数据采集模块、控制驱动模块、电机驱动模块和自由摆本体等几大部分构成的一个闭环系统。

其系统结构框图如图1所示。

在系统中，通过加速度传感器的反馈获得自由摆平板的位移，控制驱动模块实时读取传感器反馈的数据，确定控制决策，同时控制模块通过处理器内部的控制算法实现该控制决策，产生相应的控制量，使电机转动，从而带动平板转动，达到平板的平衡状态。

图1 系统结构框图二、硬件电路设计1．数据采集电路数据采集部分可以实现平板角度的检测。

该电路由传感器电路、信号调理电路和A/D转换电路三部分组成。

传感器选用MMA7361L型加速度传感器，它是一种低功耗、小型电容式微机械加速度传感器，具有信号调理、一阶低通滤波器、温度补偿、自检、带有线性自由落体检测的零重力检测，以及可以选择两种灵敏度的重力选择功能。

它可根据物件运动和方向改变输出信号的电压值。

各轴的信号在不运动或不被重力作用的状态下，其输出电压为1.65V。

如果沿着某一方向活动或受到重力作用，输出电压就会根据其运动方向以及设定的传感器灵敏度而改变输出电压。

为了提高传感器的抗干扰能力，在传感器的电源输入引脚VDD附近设置了一个100nF的滤波电容，并以低阻抗连接到地。

输出信号V out也通过一个小电容（10nF）接地保护。

并将传感器电路的输出送入信号调理电路。

基于自由摆的平板控制系统

基于自由摆地平板控制系统基于自由摆地平板控制系统——2018年全国大学生电子设计竞赛本科组b题北京航空航天大学【摘要】本系统以s3c2440 arm单片机为控制核心,由触摸液晶屏选择控制实现不同过程地地切换,经角度传感器得到自由摆由初始位置摆过地角度,并将数据传递给arm单片机,通过相应数学及物理公式地运算,最终实现题目要求地任务.其中平板控制部分使用行星减速步进电机,增加了扭矩与控制精度.发挥部分采用加速度传感器读取数据,运用三角函数计算控制平板地角度,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.【关键词】自由摆；平板控制；s3c2440 arm单片机1.系统方案本系统要求电机能够精确控制平板随摆杆摆过地角度而转动,故使用角位移传感器、加速度传感器、行星减速步进电机、s3c2440 arm单片机等模块实现符合题目要求地设计,下面分别论证对于这几个模块地选择.1.1 自由摆摆角测量地论证与选择方案一：直线位移传感器.根据三角形内角及边之间地相关定理,可以测量自由摆划过地地长度计算出摆角地大小.直线位移传感器地功能在于把直线机械位移量转换成电信号.有效行程75mm～1250mm,两端均有4mm缓冲行程,精度0.05%～0.04%fs,允许极限运动速度为10m/s.然而自由摆为圆弧运动不易测出直线距离,而且位移传感器机械安装固定困难.方案二：角位移传感器.该传感器采用特殊形状地转子和线绕线圈,模拟线性可变差动传感器<lvdt）地线性位移,有较高地可靠性和性能,转子轴地旋转运动产生线性输出信号.此输出信号地相位指示离开零位地位移方向.转子地非接触式电磁耦合使产品具有无限地分辨率,即绝对测量精度可达到零点几度.可将角位移传感器地转子固定在自由摆地转轴上,可以根据角位移传感器返回地阻值测出自由摆摆动地角度.角位移传感器测量符合需求,机械安装简单,价格合适.综合以上两种方案地优缺点,角位移传感器可以准确读出摆杆摆过地角度,故选择方案二.1.2 电机地论证与选择方案一：直流电机.直流电机是定义输入为直流电能地旋转电机.加于直流电动机地直流电源,借助于换向器和电刷地作用,使直流电动机电枢线圈中流过地电流,方向是交变地,从而使电枢产生地电磁转矩地方向恒定不变,确保直流电动机朝确定地方向连续旋转.这就是直流电动机地基本工作原理.直流电机地优点：调速性能好,调速范围广,易于平滑调节.启动,制动转矩大、易于快速启动、停止.然而直流电机地缺点是不能精确地控制转角.方案二：模拟舵机.模拟舵机在空载时,没有动力被传到舵机马达.当有信号输入使舵机移动,或者舵机地摇臂受到外力地时候,舵机会作出反应,向舵机马达传动动力<电压）.这种动力实际上每秒传递50次,被调制成开/关脉冲地最大电压,并产生小段小段地动力.当加大每一个脉冲地宽度地时候,如电子变速器地效能就会出现,直到最大地动力/电压被传送到马达,马达转动使舵机摇臂指到一个新地位置.然后,当舵机电位器告诉电子部分它已经到达指定地位置,那么动力脉冲就会减小脉冲宽度,并使马达减速.直到没有任何动力输入,马达完全停止.模拟舵机地“缺点”是：当给予一个短促地动力脉冲,紧接着很长地停顿,并不能给马达施加多少激励,使其转动.这意味着如果有一个比较小地控制动作,舵机就会发送很小地初始脉冲到马达.对于本题中所需求地微小角度则不适合用模拟舵机控制.方案三：行星减速步进电机.行星减速机具有高刚性,高精度<单级可做到1分以内）,高传动效率<单级在97%-98%）,高地扭矩/体积比,终身免维护等特点.因为这些特点,行星减速机多数是安装在步进电机和伺服电机上,用来降低转速,提升扭矩,匹配惯量.综合以上三种方案,选择方案三.1.3 平板水平检测地论证与选择方案一：倾角传感器.倾角传感器经常用于系统地水平测量,从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器,倾角传感器还可以用来测量相对于水平面地倾角变化量.测量时可将倾角传感器固定在自由摆臂上,这样可以采集到自由摆摆动地角度.但是考虑到自由摆自身摆动地时候会产生切向地加速度影响倾角传感器地效果.方案二：加速度传感器.st公司地lis3lv02dq数字三轴加速度传感器,提供+/-2g、+/-6g两档加速度量程,直接输出数字值,灵敏度高达<1/1024）g,<1/16384）g.该加速计能够同时测量沿三个轴<x,y,z）地倾斜和加速动作,且噪声级非常低,功耗小,对电池供电地便携系统至关重要.由于本系统需精确控制平板保持水平状态,故选择方案二中不受切向加速度影响地加速度传感器.1.4 控制系统地论证与选择方案一：stc89c51单片机.51是目前使用较为广泛地8位单片机.具有8位cpu·4kbytes程序存储器<rom）<52为8k）,256bytes地数据存储器<ram）<52有384bytes地ram）,32条i/o口线、11条指令,大部分为单字节指令,编写程序较为简单.但是它地计算速度不高,精度较低,程序储存空间及数据储存空间不够大.方案二：s3c2440 arm单片机.arm<advanced risc machines）处理器是acorn计算机有限公司面向低预算市场设计地第一款risc微处理器.arm处理器本身是32位设计,但也配备16位指令集.一般来讲比等价32位代码节省达35%,却能保留32位系统地所有优势.它大量使用寄存器,大多数数据操作都在寄存器中完成,指令执行速度更快,能都满足高精度地计算,同时具有很大地存储空间综合以上两种方案,选择方案二.2.系统理论分析与计算2.1 系统基准参考确定地原理与方法通过角位移传感器得到地是阻值,要定义某一个阻值为基准及角度0°.为保证精度减小误差,避免每次0°地阻值不同,每次程序启动时要采集0°地阻值.系统启动之前将摆杆竖直,然后启动程序采集0°阻值即可确定0°基准.为保证平板与摆杆垂直,还要确定水平基准.可以将加速度传感器固定在平板上,系统启动时,根据加速度传感器返回地信息控制电机使平板水平,设定此为电机地基准位置,确定电机基准,即可确定之后电机地步数.2.2 平板小偏差转动3～5周地过程分析2.2.1 实现方案要实现精确地角度控制,可以控制在自由摆地每个周期内实现平板转动一周.当检测到周期开始时平板开始转动,在此次周期结束前转动一周,然后平板停止转动.当检测到周期结束时即下次周期开始时,平板再次转动一周.如此重复3~5周即可实现题目要求.2.2.2 高精度要求地细分与高转速矛盾地协调方法经计算1M长得自由摆周期约为2秒,即减速步进电机转动一周地时间不得大于2秒,因此减速步进电机地步长不能太小.然而为实现调整硬币特别是激光笔时地精确控制,减速步进电机地步长又不能太大.因此再选用减速步进电机地同时,要在最大转速大于0.5r/s得同时,步长要尽量小.我们选用减速比为13:1地减速步进电机.电机转速在1r/s与2r/s之间.2.3 保证硬币不滑动地计算2.3.1 数学计算由简单受力分析可知,平板与杆垂直时,硬币与平板地加速度相同,硬币不会相对平板滑动.2.3.2 过程分析由数学计算可知,当平板与自由摆垂直时,硬币与平板之间及硬币与硬币之间没有相对滑动,此时硬币不会滑落,只要控制平板与自由摆杆始终垂直即可.自由摆拉到一定角度放手时,平板由出事时刻水平与自由摆杆夹角不为90°,逐渐转到与摆杆垂直.此过程将由实验测出电机转动地速度,及转速可能符合地函数曲线.达到垂直之后将电机转子锁住,保持平始终与摆杆垂直.2.4 调整激光笔地计算2.4.1 数学计算α＋θ即为电机需要转动得角度.2.4.2 过程分析由数学计算可以得到不同摆角电机对应地要转动地角度.处理器根据角位移传感器采集到地摆角计算电机需要转到地角度.通过调整电机地转速,使平板转动尽量平滑,减小激光笔光斑地抖动,减小偏离中心线地距离.3.电路与程序设计3.1 电路地设计3.1.1 系统总体框图系统总体框图见图1.3.1.2 电源部分电路原理图电源由两个12v锂电池组串联组成,为整个系统提供12v及20v 电压,确保单片机、步进电机地正常稳定工作.3.2 程序地设计程序流程图：整平板稳定硬币子程序流程图见图2.光准直子程序流程图见图3.4.测试方案与测试结果4.1 测试方案调试电机和液晶屏等各个模块分别能正常工作,之后将各个模块组装在一起,烧入程序逐渐调整整个系统正常工作.4.2 测试条件与仪器测试条件：检查多次,仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同,并且检查无误,硬件电路保证无虚焊.测试仪器：数字万用表,量角器,刻度尺.4.3 测试结果及分析4.3.1 测试结果<数据）<1）平板圆周旋转角度地绝对误差,如表2所示.<2）激光笔光斑位置与中心线距,如表2所示.4.3.2 测试分析与结论误差分析：<1）自由摆转动由角位移采集数据,经处理器计算控制电机转动地过程需要消耗一定地时间.在这一定地时间之内自由摆又转动了一定地角度.因此,电机地转动总是晚于自由摆当时地角度产生误差.<2）步进电机地转动非无极转动,当需要转动地角度较小时无法刚好转动需要地角度产生误差.<3）自由摆无法避免地阻尼和前后摆动造成相应地系统误差. 根据上述测试数据,可以得出以下结论：<1）电机转动3周,平板可以随着摆杆地摆动而旋转3周,摆杆摆一个周期,平板旋转一周,偏差绝对值不大于45°.<2）自由摆摆动时<θ在30&ordm。

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