2011年全国大学生电子设计竞赛
编 号题 目学 校系 部专 业 学生姓名指导教师参赛时间
基于自由摆的平板控制系统（B题）
【本科组】
甲 01204
基于自由摆的平板控制系统（B题） 山东交通学院 信息工程系 电信 电信 自动化 廖连兵 刘柯 寇海华 温巍
——2011.9.3
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B 2011.8.31
摘要................................................................................................................................ 3
1.1 课题分析....................................................................................................... 5 1.2 本论文概述................................................................................................... 5 第二章 系统总体设计方案.......................................................................................... 5
2.1 自由摆控制系统的原理与组成..................................................................... 5 2.2系统模块器件的选定...................................................................................... 5
2.2.1 控制器的论证与选择.......................................................................... 5 2.2.2传感器器件的论证与选择................................................................... 5 2.2.3执行元件的论证与选择....................................................................... 6 2.2.4 控制驱动的论证与选择...................................................................... 6 2.2.5 人机交互的论证与方案...................................................................... 6 2.2.6模块器件清单....................................................................................... 6
第三章 测控系统的硬件设计...................................................................................... 6
3.1框架系统的结构.............................................................................................. 6 3.2电源模块.......................................................................................................... 6 3.3 角度传感器：MMA7260QT............................................................................. 7 3.4电机驱动：L298N............................................................................................ 7 4.1流程图.............................................................................................................. 7 4.2子程序流程图.................................................................................................. 8 第五章 测试及结论.................................................................................................... 10
5.1定点测试........................................................................................................ 10 5.2动态性能测试................................................................................................ 10 5.3改变负载........................................................................................................ 10
5.3.1 不放硬币时的测量方法.................................................................... 10 5.3.2 放硬币时的测量方法........................................................................ 10 5.4 带激光灯时的角度控制............................................................................... 10 5.5实验数据........................................................................................................ 11
5.5.1旋转实验测试..................................................................................... 11 5.5.2放硬币实验测试................................................................................. 11 5.6发挥部分功能测试........................................................................................ 12 摆杆固定时的测试............................................................................................... 12 参考文献...................................................................................................................... 13 附件1 原理图............................................................................................................. 13 附件2 主要程序......................................................................................................... 14
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摘要
本系统是以C8051F040为控制芯片控制步进电机，从而调节木板平衡的闭环平板控制系统。该系统是主要由摆架框架、数据采集部分、主控板、驱动系统四大部分组成。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、信号调试电路、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平板控制系统的稳定性。
关键字：C8051F040 闭环 平板控制系统 模块化
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ABSTRACT
This system is based on C8051F040 for control chip control stepping motor, which regulates board balanced closed-loop control system. The system is mainly by the pendulum frame frame, the data acquisition part, main control board, driving system composed of four. The design of the software and hardware system using modular design thought. Hardware introduced in detail the sensor circuit, signal regulate circuit, motor drive circuit and system extension required some of the other peripheral circuit design of software, hardware circuit as the foundation, the modular design. To make the measurement and control system control more accurate in the process of collecting data using nonlinear error correction and digital filtering method of data processing. At the same time to consider the design to the possible interference factors, using a combination of hardware and software anti-interference technology improve the stability of the Flat control system.
Key word: C8051F040 closed-loop control system Flat control system modularization
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第一章 绪论
1.1 课题分析
基于自由摆的平板控制系统应用的原理是现代检测与控制技术。它是现代自动化控制系统应用的典型产物,是一个闭环的控制系统。
1.2 本论文概述
该控制系统是一个动态自动平衡测试系统。本文完成以下几方面工作： 1） 确定系统构成。系统主要包括两部分，一是被控部分，主要是系统物理组成形成形式，包括摆架构成、传感器与电机的安装；二是控制部分，主要是用于控制被控制对象的微处理器类型及其软件的控制规律。
2） 选择合适的处理器设计主控板，完成传感器、信号调试、电机驱动模块等建测控系统的硬件电路设计。
3） 根据实际硬件平台进行算法和软件编写，实现各个功能模块。 4） 对传感器进行标定，进行误差分析，提高测控系统的准确度。 5） 针对已做工作进行总结，并在此基础上进行改进。 第二章 系统总体设计方案
2.1 自由摆控制系统的原理与组成
自由摆控制系统的原理与组成自由摆控制系统结构框图如图2-1所示，是由数据采集模块、控制驱动模块、伺服机构和自由摆本体等几大部分构成的一个闭环系统。在系统中可通过倾角传感器的反馈获得自由摆末端被控对象的位移，控制驱动模块实时读取传感器反馈的数据，确定控制决策（电机应该向哪个方向转动、转动速度、加速度等），同时控制模块通过处理器内部的控制算法实现该控动状态。
驱动电路 步进电机 C8051F040单片 人机互动 机控制器 加速度传感 A/D转换 器
图1.系统总的框图 2.2系统模块器件的选定
本系统主要由数据采集模块、控制驱动模块、伺服机构和自由摆本体电源模块组成。下面分别论证这几个模块的选择。 2.2.1 控制器的论证与选择
方案选定：51 系列单片机的应用比较广泛，各种技术都比较成熟。所以我们选定C8051F040单片机。它是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机，在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制的智能节点所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件，完全能够完成这次设计的要求我们。 2.2.2传感器器件的论证与选择
现有的角度传感器种类很多，如电介液式、电位器式、电容式、电感式及陀
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