全国电赛平衡摆

制作要求

设计并制作一个自由摆上的平板控制系统。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；当摆杆摆动时，驱动电机可以控制平板转动。

控制要求如下：

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45º～60º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。

一、方案设计与论证

1.角度传感器的选择与论证

方案一：采用普通水银开关自制倾角传感器方案，该方案在实际使用时，容易受到外界的干扰，有时甚至会产生误检测。主要是因为水银开关的反应时间过长，检测精度比不上集成电路或者是其他灵敏传感器。况且，在一些特殊情况下，如发生震动时，水银开关的检测有很大可能会受到影响。在本系统中，单摆的运动会产生较大惯性，容易对水银开关的检测造成负面影响，最终会影响整个系统的精度与控制。

方案二：采用超声波检测技术。超声波传感器是使用超声波技术直接对摆杆高度进行检测，从而反馈信息给CPU，让CPU做出相应的反应并控制转板的转向。利用监视测量发射脉冲和接收反脉冲（回波）的时间差以及相应温度和空气密度下的传播速度，计算出超声波传感器的物料之间的高度，再通过相应的数学函数处理间接实现角度的测量。但是，此方案

涉及大量的模拟电路以及数字电路，调试复杂，且对超声波功率设定也没有相关的标准，与此同时需要CPU处理大量的数据，而且对于本系统而言，用超声波检测技术所需的函数算法复杂，在有效的时间内难以实现平板系统的功能和控制要求，效率低。

方案三：采用MMA7455模块和A/D模数转换模块。MMA7455L 3轴小量程加速传感器是检测物件运动和方向的传感器，它根据物件运动和方向改变输出信号的电压值。后面的图片示出了它们的关系。各轴的信号在不运动或不被重力作用的状态下（0g）,其输出为1.65V。如果沿着某一个方向活动，或者受到重力作用，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其输出电压。用单片机的IIC/SPI接口方式读取数值，就可以检测其运动和方向。但是，MMA7455模块采用的是3.3V电源供电，因此需另外给它提供精准的3.3V电源模块。这就增加了成本，使电路更加繁琐。同时其算法繁琐，使用起来不方便，影响了效率。

方案四：采用巨磁电阻(GMR)角度传感器和A/D模数转换模块。巨磁电阻(GMR)角度传感器是利用巨磁电阻(GMR)效应研究开发的产品，具有线性好、线性范围宽、体积小、灵敏度高、响应频率高、可靠性高、成本低、使用温度特性好等特点，是各种传统传感器的换代产品。其分辨率可达0.01度，这对于平板控制系统而言是一个非常重要的参数。况且，其所需电源为5V的直流电源，恰好能使用控制系统的动力能源，简化了电路。使用巨磁电阻角度传感器和A/D模数转换模块能较好的反应相应的角度和位置。同时，运用此方法不需设计繁琐的数学函数以及相关算法，提高了效率，降低了难度。

在平板控制系统中，要求较高的灵敏度及响应频率，而且为了让程序简洁和系统易于控制，所以需采用线性度较好的方案，通过比较以上四种方案，方案四占有很大优势，因此选用方案三作为本系统的角度检测方案。

2.电机的选择与论证

方案一：采用直流减速电机。直流减速电机具有良好的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速启动、制动和反转。但是，直流减速电机不宜进行精确的角度控制。与此同时，直流减速电机装配有特定的减速机构，当主控电路对其发出控制信号的时候，由于机械延时的缘故，电机不能实时响应CPU 所发出的信号。使得机械动作滞后，并且还会造成累积误差，在需时时响应的系统中这是不可取的。

方案二：采用步进电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机的这个显著特点就使得它容易受到较好的角度控制。同时利用其本身的特点，可对其实行1/2、1/4或者1/8拍的控制，实现稳定的角度控制，提高了控制精度以及位置精度。

方案三：采用伺服电机。伺服电机是一种补助马达间接变速装置，可控制速度，且位置