2011全国大学生电子设计竞赛B题报告

B 题基于自由摆的平板控制

系统

摘要

本文采用stc12c5a60s2作为自由

摆平板控制系统的控制和检测核心。

摆杆晃动角度G

反馈

>1—

t _______

、

LCD 状态显示

单片机控

制系统

整机电源

—1/

M

步进电机驱动

功能选择

图2系统框图

采用集成驱动芯片L298和步进电机来控制平板。通过电阻式角度传感器测量摆 杆的倾角。利用硬币与平板的向心力保持硬币在平板上不滑动，不掉落。

第一节系统方案

1.1实现方法

通过对长铝条的适当机械加工 制得题目要求的摆杆

（结构如图

1所示）和适当的改装，采用自我设 计的电路及软件编写，依次完成题 目的设计要求。 1.2方案论证

基于题目的要求，采用

stc12c5a60s2作为处理器。采用电 阻式的角度测量能快速测得摆杆与 垂直方向上的角度。电机采用步进 电机，其控制电路简单，控制角度 精确，且该题目要求对电机速度要 求不高。电机驱动采用H 桥的 lm298，其结构简单，驱动电流大。 用lcd 显示屏来显示系统的实时状 ^态。 1.3系统设计

进电机

40cm

图1摆杆机构设

基于上述论证分析基于上 述方案论证分析，本系统主要由 单片机STC12C5A60S 作为控制 与检测核心处理器，外加电机驱 动电路、角度传感器信号检测电 路、液晶显示、电源组成。本系 统的结构框图如图2所示。

第二节理论分析与计算

2.1摆杆角度测量

将电阻式角度传感器固定在摆杆顶端轴承处， 即摆杆转过几度，传感器就转 过几度，从而改变两端的电压值。将摆杆转过多少度，两端所对应的电压值制成 表。用单片机上的AD 去采样传感器两端的电压，就能知道摆杆所转过的角度。 2.2摆杆摆动一个周期，平板旋转一周的解决方案

将该系统近似看作是单摆，由于单排的周期计算公式为T=2nV (L/g)有此可知 该系统的摆动周期大约为 1.99s ，由此可知电机的转速为 2二/T 3.135rad/s 2.3摆杆自由摆动时一枚硬币和八枚硬币在平台上保持原来状态

在起始状态，使平台保持水平，即但放手的那一刻，较快的使平台垂直于摆杆, 利用硬币自身的向心力保持硬币的平衡。经实验，该方法合理。满足要求。

2.4发挥部分 第一项要求：

有题意可知系统可等效为，如图所示 有图可知 D =100si nr H =100 -100cosr

R x

H 丄 100—100cos^ arcta n arcta n

150 —D 150 —100s in&

使电机在启动时保持与摆杆垂直，当摆杆转过

B 后，电机因转过的角度为 a =0 +

3

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150cm

D

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单片机端口设计

LM298驱动电路设计

第三节电路与程序设计

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电源设计

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；摆杆晃动角度测量B反馈电路设计

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5b阻盘角度传感第

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软件设计与工作流程图

4.测试结果分析

完成情况：

题目要求实际制作

基本要求部分控制电机使平板随摆杆摆动旋转，摆动一个周期，平

板旋转360'。

完全满足要求，误差在45'内。

用手摆动摆杆至一个角度，调整平板角度，在平板中

心放置一枚硬币，硬币在平板上不移动

完全满足要求，成功率在98%

在平板上中心放置八枚硬币，要求硬币滑落尽可能少

较好的完成要求，硬币掉落数量

较少

发挥部分在平板上放一激光笔，当摆杆处于静止垂直和平板水

平时，激光指向靶纸上一条线，给定摆杆一定的角

度，激光始终指向纸上那一点。

未完成让摆杆摆动，激光始终指向靶纸中心线。未完成