传感与检测技术大作业

（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。
（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。
2．发挥部分
2.微机过程控制系统
以微型计算机作为控制器。控制规律的实现，是通过软件来完成的。 改变控制规律，只要改变相应的程序即可。
3.模拟PID控制系统组成
PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t) 的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制 对象进行控制。
PID过程控制――对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。 1.模拟控制系统
被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到 偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零， 其输出通过执行器作用于过程。 控制规律用对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟 硬件。
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
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。
6. PID调节器各校正环节的作用 1）、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)， 偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。 2）、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分 作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则 越强。 3）、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能 在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信 号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。
（二）系统的实现
2.1.1 系统框图
2.2.1 控制器模块的电路设计 本系统控制器模块的主要功能是，单片机接收从角度传感器检测来的 信号，和按键控制电路输入的电平信号，并将输入的信号进行处理运算， 以控制1602LCD的显示和电机的转动，从而控制平板的转动。该系统结构简 单，因此运用单片机的最小系统就能完成各项要求
——基于自由摆的平板控制系统分析
制作人：史小峥 02094061 王方超 02094076 布合且木 02094079
一、任务介绍
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。
（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。
介绍结束 谢谢
图1
图2
2
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。
4.PID 调节器的微分方程
1 u (t ) K P e(t ) TI de(t ) 0 e(t )dt TD dt
t
式中
e(t ) r (t ) c(t )
5.PID 调节器的传输函数
D( S ) U (S ) 1 K P 1 TD S E (S ) TI S
2.2.2 电机驱动电路模块的设计 分析题目可知，在该系统中，可以通过改变h2的大小，来控制液体 点滴的速度。这样，采用步进电机的正反转来改变h2的大小。电机的驱 动芯片选用L298N 作为驱动。其电路图如下图所示：
2.2.3 平板倾斜角度计算方法的建模 单摆周期： T=2*3.14*sqrt(l/g) 其中，l为摆长 1M；g为重力加速度9.8m/s^2.该系统算得T=2006ms
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)
T u I ( n) K P TI
7. 数字 PID 控制器 1)、模拟 PID 控制规律的离散化 模拟形式
e(t ) r (t ) c(t )
离散化形式
e(n) r (n) c(n)
de(t ) dT
e(n) e(n 1) T

t
0
e(t )dt
e(i)T T e(i)
i 0 i 0
n
n
2） 、数字 PID 控制器的差分方程
传感器分析：
这里所用的角度传感器是指绝对角度传感器，而不是增量式角度传感 器（这种传感器其实就是旋转编码器）。 绝对式角度传感器的意思是，传感器转到一个位置，输出一个特定的 信号，而且这个信号是唯一的，不变的，只要是在这个位置，就输出 这个信号，有的是电压信号，有的是电流信号，也有的是频率信号， 不管是什么类型的信号，总之，这种传感器可以唯一的确定传感器转 动的位置。 所谓增量式角度传感器，就是传感器每转动一定的角度（比如0.1度， 视传感器的精度而定）传感器就输出一个脉冲，输出脉冲是方波，输 出的快慢要看传感器转动的快慢。这种传感器其实适用于测量转动速 度，经常用在测量电机转动速度，组成转速伺服系统。这种传感器不 是很合适。
称为比例项
n
e(i)
i 0
称为积分项
u D ( n) K P
TD e(n) e(n 1) 称为微分项 T
2.3.1 系统软件流程图
开始
初始化LCD
模式一
模式二
模式三
4个周期内平 板转动4周
平板角度是 否合适
实时显示屏保 倾斜角度
判断倾角大小
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。