螺地平仪等复合式倾角传感器，考虑到是检测重物作用下的平板微动方向，要求传感器有较好的灵敏度及响应速度，同时要使传感器安装方便，选用角度传感器MMA7260QT，它根据物件运动和方向改变输出信号的电压值，直接将其放在用单片机的A/D转换器读取此输出信号，就可以检测其运动和方向。我们可以将它直接接在平板上就可以检测出平面的倾角。 2.2.3执行元件的论证与选择
执行元件选择步进电机，使用步进电机的原因包括操作简单，由于可接受数字脉冲输入而变得易于与其他设备接口，优秀的起停和反转响应运行过程中精度没有累计误差等。本次设计采用的步进电机是四相励磁式步进电机42BYGH02。 2.2.4 控制驱动的论证与选择
控制驱动模块是平衡控制系统的核心是实现系统闭环的关键环节。它接收加速度传感器反馈的电压数据，进而根据给定的控制算法计算出控制量，输出后控制电机的转动，从而维持系统的平衡。同时控制驱动模块需监控电机运转情况，通过软件实现最佳位置控制及超速保护等。控制驱动模块包括数据处理芯片、内存、通信总线、电机驱动模块。 2.2.5 人机交互的论证与方案
人机交互模块是使用键盘控制进行模式切换，经过讨论，我们选择现有的无线模块转换工作方式，原因：可以远距离调控，方便快捷的实现模式转换。
综上所述：基于自由摆的木板控制系统的设计方案是以C8051F040作为控制芯片，通过控制步进电机驱动电路，调节6cm×10cm木板的稳定，为了使该系统稳定运行，我们把它设定为一个闭环控制系统，应角度传感器MMA7260QT检测木板所在位置的角度，从而把信息反馈给控制器进行调节，保证木板的水平。从而提高系统的稳定性。 2.2.6模块器件清单
人机互换模块：SC2272;
控制模块：C8051F040单片机； 步进电机驱动模块：L298;
检测模块：角度传感器MMA7260QT； 第三章 测控系统的硬件设计
本章节重点讲述整个检测与控制系统的硬件结构框架及细节设计。系统硬件采用模块化结构便于升级和维护。? 3.1框架系统的结构
? 摆架系统的结构摆架系统包括摆架座、摆杆、轴承及弹性元件等?起支撑平板工作台的作用。选择的材料要保证摆架有足够的刚度同时为保证控制方便，有较高的灵敏度，要求摆杆重量适当。 3.2电源模块
为了提高系统的稳定性，我们选择220V经过7805的电压变换后给单片机系统和其他芯片供电。
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图2 电源设计电路
3.3 角度传感器：MMA7260QT
MMA7260QT低成本微型电容式加速度传感器,采用了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，并且提供4个量程可选，用户可在4个灵敏度中的选择。该器件带有低通滤波并已做零g补偿。本产品还提供休眠模式，因而是电池充电的手持设备产品的理想之选。
鉴于以上特点，我们选用了MMA7260QT 3.4电机驱动：L298N
L298N是意法半导体公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。其引脚排列如图3-5所示，1脚和 15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。L298可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。
驱动芯片引脚电路图：
图3 逻辑电路 图4 管脚标注
第四章 系统软件设计
4.1流程图
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4.2子程序流程图模块一流程图
图5 程序总的设计框图
图6 自由摆动设计流程图8
模块二流程图
模块三的流程图
图7 放硬币的自由摆程序 8 调节程序流程图 9
图
第五章 测试及结论
自由摆的示意图如图9所示： β 摆杆竖直位摆杆起始位90°—β
平板 图9
5.1定点测试
定点测试主要是观察步进电机的反应快慢。用手推动摆杆摆起一个角度，利用倾角传感器提供的当前平板与水平位置的角度，处理器计算出恢复平衡位置所需的脉冲个数并发送给步进电机，电机收到信号后带动平板向反向方向转动，到达平衡位置时停止转动。反复调整脉冲的频率，确定使步进电机能迅速反应且稳定工作的频率，使摆杆在稳定后的几秒内，平板处于水平状态。 5.2动态性能测试 从零度开始，在两秒钟内缓慢平稳地将摆杆推至三十度出，在此工程中平板保持水平状态。将摆杆缓慢推至一定角度θ在(45o～60o)处，待平板达到水平后释放，让摆杆做自由阻尼摆动直至静止，在摆动过程中使平板保持水平状态。测试表明，平台在跟踪速度要求范围响应迅速。 5.3改变负载
5.3.1 不放硬币时的测量方法
如图5-1所示，假设摆杆的初始角度为?，则当平板由初始位置转到竖直位置时对应的步进电机转动90°。在执行程序时，时刻对传感器的输出电压做AD转换，进而转换成摆杆的角度，将两次测量的角度结果相减，从而求出步进电机应转动的角度。公式为Δ=90°*|α1—α2|，其中Δ为步进电机应转动的角度， α1、α2分别为两次测量的摆杆与水平面的夹角。 5.3.2 放硬币时的测量方法
经测试，当平板与摆杆垂直时，摆杆摆动时硬币不会滑落。于是我们讨论后决定以下方案：放下摆杆后，在很短的时间内使摆杆与平板垂直，此后步进电机不再转动。如图5-1，步进电机转动步数公式为：step=?/0.225。 综述结果：我们设计的基于自由摆的平板控制系统初步完成设计要求，系统稳定性有待提高。
5.4 带激光灯时的角度控制
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