基于自由擺的平板控制系統(tǒng)

1、2011 年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告基于自由擺的平板控制系統(tǒng)基于自由擺的平板控制系統(tǒng)（日（日 期）期）摘 要摘摘 要要：本自由擺的平板控制系統(tǒng)采用 STC12C5A60S2 單片機(jī)作為主控系統(tǒng)，L298N 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，STC12C5A60S2 單片機(jī)通過 L298N 驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū) PK545-NAC-C29 步進(jìn)機(jī)，使步進(jìn)機(jī)上的平板隨著擺桿的擺動(dòng)而旋轉(zhuǎn)。硬件部分主要包括 STC12C5A60S2 單片機(jī)最小系統(tǒng)，L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，N1000060 傾角傳感器，電源模塊等。本設(shè)計(jì)主要運(yùn)用 STC12C5A60S2 單片機(jī)控制 4 相 6 線步進(jìn)電機(jī)，由單片機(jī)產(chǎn)生脈沖信號(hào)

2、精確控制步進(jìn)機(jī)的轉(zhuǎn)速和角度，使步進(jìn)電機(jī)上的平板能夠隨著擺桿擺動(dòng)而保持水平平衡。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：STC 單片機(jī)；L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片；傳感器目 錄摘摘 要要.1目目 錄錄.I1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)任務(wù)與要求.11.1設(shè)計(jì)任務(wù) .11.2設(shè)計(jì)要求 .12方案比較與論證方案比較與論證.22.1主控器的選擇與論證 .22.2電機(jī)的選擇與論證 .22.3驅(qū)動(dòng)模塊的選擇與論證 .33系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).33.1總體電路框圖 .33.2單元電路設(shè)計(jì) .43.3整體電路圖 .74系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).74.1總體軟件框圖 .74.2各模塊軟件設(shè)計(jì) .84.3總程序 .105系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)

3、試.105.1測(cè)試儀器 .105.2測(cè)試指標(biāo) .105.3測(cè)試結(jié)果分析 .116設(shè)計(jì)總結(jié)設(shè)計(jì)總結(jié).11參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).11附錄附錄.12附錄 A：電路圖.12附錄 B：電路板圖.13附錄 C：元器件清單.13附錄 D：總程序.14設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)題目1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)1、設(shè)計(jì)并制作一個(gè)自由擺上的平板系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示。擺桿的一端通過轉(zhuǎn)軸固定在一支架上，另一端固定安裝一臺(tái)電機(jī)，平板固在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上；當(dāng)擺桿如圖 1-2 所示擺動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以控制平板轉(zhuǎn)動(dòng)。圖 1-1 圖 1-21.2 設(shè)計(jì)要求1、控制電機(jī)使平板可以隨著擺桿的擺動(dòng)而旋轉(zhuǎn)（35 周） ，擺桿擺一個(gè)

4、周期，平板旋轉(zhuǎn)一周（360） ，偏差絕對(duì)值不大于 45。2、在平板上粘貼一張畫有一組間距為 1cm 平行線的打印紙。用手推動(dòng)擺桿至一個(gè)角度 （ 在 3045 間） ，調(diào)整平板角度，在平板中心穩(wěn)定放置一枚 1 元硬幣（人民幣） ；啟動(dòng)后放開擺桿讓其自由擺動(dòng)。在擺桿擺動(dòng)過程中，要求控制平板狀態(tài)，使硬幣在 5 個(gè)擺動(dòng)周期中不從平板上滑落，并盡量少滑離平板的中心位置。3、用手推動(dòng)擺桿至一個(gè)角度 （ 在 4560 間） ，調(diào)整平板角度，在平板中心穩(wěn)定疊放 8 枚 1 元硬幣，見圖 1-2；啟動(dòng)后放開擺桿讓其自由擺動(dòng)。在擺桿擺動(dòng)過程中，要求控制平板狀態(tài)使硬幣在擺桿的 5 個(gè)擺動(dòng)周期中不從平板上滑落，并保持

5、疊放狀態(tài)。根據(jù)平板上非保持疊放狀態(tài)及滑落的硬幣數(shù)計(jì)算成績(jī)。2方案比較與論證方案比較與論證2.1 主控器的選擇與論證方案一：采用 STC12C5A60S2方案二：采用 STC89C52方案三：采用 AT89C52方案論證：方案一，STC12C5A60S2 芯片價(jià)格便宜，應(yīng)用范圍廣，功能強(qiáng)大，高速運(yùn)轉(zhuǎn)，低功耗，強(qiáng)抗靜電，強(qiáng)抗干擾，內(nèi)部集成雙串口、8 路 10bitADC 和兩路八位 PWM；方案二，STC89C52 芯片價(jià)格便宜，應(yīng)用范圍廣，運(yùn)轉(zhuǎn)速度慢，抗靜電抗干擾弱，內(nèi)部無 ADC；方案三，AT89C52 芯片價(jià)格便宜，應(yīng)用范圍廣，運(yùn)轉(zhuǎn)速度慢，抗靜電抗干擾弱，內(nèi)部無 ADC。鑒于設(shè)計(jì)要求，故采用

6、方案一。2.2 電機(jī)的選擇與論證方案一：采用步進(jìn)電機(jī)方案二：采用直流電機(jī)方案三：舵機(jī)方案論證：方案一，步進(jìn)電機(jī)價(jià)格便宜，容易控制，旋轉(zhuǎn)角度于脈沖成正比，每步的旋轉(zhuǎn)角度精確度高，不會(huì)將一步的誤差積累到下一步，且具有優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；方案二，直流電機(jī)價(jià)格低，調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)，過載、起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，難于控制轉(zhuǎn)軸的角度和轉(zhuǎn)速；方案三，舵機(jī)價(jià)格偏高，性能易受電壓影響，控制旋轉(zhuǎn)的角度精確度不高。鑒于設(shè)計(jì)要求，故采用方案一。2.3 驅(qū)動(dòng)模塊的選擇與論證方案一：采用 L298N 芯片方案二：采用 ULN2803 芯片方案三：采用三極管方案論證：方案一，L298N 芯片價(jià)格便宜，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)

7、電流大，足以驅(qū)動(dòng)大功率的步進(jìn)電機(jī)；方案二，ULN2803 芯片價(jià)格便宜，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)電流小，不能驅(qū)動(dòng)大功率的步進(jìn)電機(jī)；方案三，三極管價(jià)格便宜，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，不穩(wěn)定，出問題難于查詢。本設(shè)計(jì)采用 PK545-NAC-C29 步進(jìn)電機(jī)，故采用方案一。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 總體電路框圖為了使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜的控制功能，本設(shè)計(jì)采用一種功能強(qiáng)大的、高速低功耗性價(jià)比高的單片機(jī) STC12C5A60S2 完成對(duì)其他部分控制。本設(shè)計(jì)采用N1000060 傾角傳感器對(duì)擺桿的傾斜角度的采集數(shù)據(jù)，通過 STC12C5A60S2 單片機(jī)內(nèi)部自帶的 A/D 轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)送給單片機(jī)，單片機(jī)通過數(shù)據(jù)分

8、析控制 L298N 驅(qū)動(dòng)電路，使步進(jìn)機(jī)旋轉(zhuǎn)保持平板的水平平衡，用 1602 液晶顯示 A/D 的數(shù)據(jù)?？傮w框圖如圖 3-1 所示。電 源單片機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊步進(jìn)機(jī)液 晶 顯 示傳感器AD模塊圖 3-1 總體框圖3.2 單元電路設(shè)計(jì)1、STC12C5A60S2 單片機(jī)最小系統(tǒng)STC12C5A60S2 單片機(jī)最小系統(tǒng) P11 口、P12 口、P13、P14 口接 L298 驅(qū)動(dòng)電流的輸入口，單片機(jī)通過對(duì) L298N 的控制，使 L298 發(fā)出脈沖控制步進(jìn)機(jī)；P23 口、P24 口、P25 口接 1602 液晶，控制液晶顯示 A/D 采集 N1000060 傾角傳感器的數(shù)據(jù)，A/D 轉(zhuǎn)換是用 STC12C

9、5A60S2 內(nèi)部自帶的 A/D。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖 3-2、3-3 所示。圖 3-2 最小系統(tǒng)圖 3-3 串口部分2、L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)L298N 是一種二相四相步電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)含兩個(gè) H-Bridge 的高電壓、大電流雙橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)；OUT1、OUT2、OUT3、OUT4 之間分別接兩個(gè)步進(jìn)機(jī)；INPUT1、INPUT2、INPUT3、INPUT4 接單片機(jī) I/O，接收輸入控制電位來控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。L298N 驅(qū)動(dòng)電路如圖 3-4 所示。圖 3-4 L298N 驅(qū)動(dòng)3、供電電源供電電源采用集成穩(wěn)壓器 7805，電路圖中，穩(wěn)壓器 7805 輸入端的電容為輸入端濾波電容，輸出端

10、的電容為輸出端濾波電容；家用電 220V 經(jīng)過變壓器接入供電電源模塊，能輸出直流電壓-12V、-5V、5V、12V。供電電源如圖 3-5 所示。圖 3-5 供電電源3.3 整體電路圖見附錄 A4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 總體軟件框圖 1、總體軟件框圖如圖 4-1 所示。 圖 4-1 總體軟件框圖初始化讀傾角傳感器電壓A/D 轉(zhuǎn)換單片機(jī)處理讀到的 A/D 數(shù)據(jù)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平板是否水平否結(jié)束是4.2 各模塊軟件設(shè)計(jì)1、步進(jìn)電機(jī)右轉(zhuǎn)函數(shù)void l_turn(uint i)/步進(jìn)電機(jī)右轉(zhuǎn)函數(shù)AA;delay_ms(i);AB;delay_ms(i);BB;delay_ms(i);BC;de

11、lay_ms(i);CC;delay_ms(i);CD;delay_ms(i);DD;delay_ms(i);DA;delay_ms(i);2、步進(jìn)電機(jī)左轉(zhuǎn)函數(shù)void r_turn(uint i)/步進(jìn)電機(jī)左轉(zhuǎn)函數(shù)DA;delay_ms(i);DD;delay_ms(i);CD;delay_ms(i);CC;delay_ms(i);BC;delay_ms(i);BB;delay_ms(i);AB;delay_ms(i);AA;delay_ms(i);3、STC12C5A60S2 內(nèi)部 AD BYTE get_ad0()/AD 讀取傳感器 1 的值A(chǔ)DC_CONTR=ADC_POWER|ADC

12、_SPEEDLL|ch0|ADC_START;_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_(); while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG);return ADC_RES;BYTE get_ad5()/AD 讀取傳感器 2 的值A(chǔ)DC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ch5|ADC_START;_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_(); while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG);return ADC_RES;4.3 總程序 見附錄 D5系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試5.1 測(cè)試儀器1、數(shù)字萬

13、用表2、量角器 5.2 測(cè)試指標(biāo)當(dāng) N100060 傾角傳感器與水平方向有角度時(shí)，N100060 傾角傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)一壓，STC12C5A60S2 單片機(jī)通過內(nèi)部自帶 AD 轉(zhuǎn)換采集 N100060 反饋的電壓值。每個(gè)電壓值對(duì)應(yīng)一個(gè)角度，通過量角器測(cè)出角度，列出表格。如表格 5-1所示。表 5-1 角度-90-60-45-30030456090AD 值102.4239.0307.2377.5512648.6716.8784.9921.6傾角傳0.5V1.167V1.5V1.843V2.5V3.167V3.5V3.833V4.5V感器5.3 測(cè)試結(jié)果分析從表格 5-1 可得：傾角傳感器與水平方

14、向平行時(shí)，輸出電壓是 2.5V；向左右與水平方向傾斜 90 度時(shí)，其電壓的變化量為 2V。由此可得（誤差允許范圍內(nèi)）傾角傳感器與水平方向的角度 a 與傾角傳感器的電壓變化量 v 的數(shù)學(xué)關(guān)系為：v=a(1/45)本設(shè)計(jì)采用 4 相 6 線 PK545-NAC-C29 步進(jìn)電機(jī)，4 相 8 拍運(yùn)行方式 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，步距角為 =360 度/（50*8）=0.9 度（俗稱半步） 。本設(shè)計(jì)把 N100060 傾角傳感器固定在步進(jìn)電機(jī)上，與水平方向平行，當(dāng)擺桿有一個(gè)角度時(shí)，STC12C5A60S2 單片機(jī)內(nèi)部自帶 AD 讀取 N1000060 傾角傳感器電

15、壓值，就能精確控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，使步進(jìn)電機(jī)上的平板保持平衡。如：當(dāng) STC12C5A60S2 單片機(jī)內(nèi)部自帶 AD 讀取 N1000060 傾角傳感器電壓值為3.5V 時(shí)，其 N1000060 傾角傳感器電壓變化量為 v=1V，通過上式計(jì)算得N100060 傾角傳感器與水平方向的角度 a 為 45 度，從而就能控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)45 度，使步進(jìn)電機(jī)上的平板保持平衡。6設(shè)計(jì)總結(jié)設(shè)計(jì)總結(jié)經(jīng)過四天三夜的辛勤努力，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了題目的全部要求。但由于時(shí)間緊，任務(wù)重，系統(tǒng)還存在許多可以改進(jìn)的地方，比如電路布局、抗干擾性等方面還有很大的提升空間，經(jīng)過改進(jìn)，相信性能還會(huì)有進(jìn)一步的提升。在軟件編程方面，成功

16、的通過軟件編程消除了步進(jìn)電機(jī)的抖動(dòng)問題，采用的方法是：通過 A/D 轉(zhuǎn)換采集傾角傳感器的數(shù)據(jù)，10 個(gè)數(shù)據(jù)一組，然后取平均值。本次競(jìng)賽極大的鍛煉了我們各方面的能力，雖然我們遇到了很多困難和障礙，但總體上成功與挫折交替，困難與希望并存，我們將繼續(xù)努力爭(zhēng)取更大的進(jìn)步。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1毛禮銳，沈灌群.中國(guó)教育通史M.濟(jì)南：山東教育出版社，1988.20-22.2王英杰，高益民.高等教育的國(guó)際化J.清華大學(xué)教育研究，2000（2）：13-16.3中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院.計(jì)算機(jī)軟件保護(hù)條例J/0L.東方網(wǎng),2001.12.28附錄附錄附錄 A：電路圖附錄 A-1附錄 A-2附錄 B：電路板圖附錄 B-1

17、附錄 C：元器件清單電阻6 個(gè)瓷片電容12 個(gè)電解電容4 個(gè)鍵盤6 個(gè)單片機(jī)1 個(gè)開關(guān)2 個(gè)L298N1 個(gè)穩(wěn)壓 78051 個(gè)穩(wěn)壓 78121 個(gè)N10000602 個(gè)步進(jìn)電機(jī)1 個(gè)MS2321 個(gè)串口1 個(gè)電位器1 個(gè)整流橋1 個(gè)變壓器1 個(gè)發(fā)光二極管4 個(gè)二極管8 個(gè) 附錄 D：總程序#include #include#define uint unsigned int#define uchar unsigned chartypedef unsigned char BYTE;typedef unsigned int WORD;sfr ADC_CONTR=0 xBC;sfr ADC_RES=

18、0 xBD;sfr ADC_RESL=0 xBE;sfr ADC_LOW2=0 xBE;sfr P1ASF=0 x9D;#define ADC_POWER 0 x80#defineADC_FLAG 0 x10#defineADC_START 0 x08#defineADC_SPEEDLL 0 x00#defineADC_SPEEDL 0 x20#defineADC_SPEEDH 0 x40#defineADC_SPEEDHH 0 x60sbit en=P25;/使能sbit rs=P23;/數(shù)據(jù)命令sbit rw=P24;/讀寫/定義步進(jìn)電機(jī)連接端口sbit A1=P11;/轉(zhuǎn)三周sbit B

19、1=P12;/轉(zhuǎn)四周sbit C1=P13;/轉(zhuǎn)五周sbit D1=P14;/來回?cái)[動(dòng)/定義要用到按鍵的管腳sbit k1=P34;sbit k2=P35;sbit k3=P36;sbit k4=P37;/定義全局變量uint su=20;/8 最大uint j=0;uint jian_zhi=0;uint temp1=0;uchar shu=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,-,:, ;uint i=6;uint chong1=0;uint su1=20;/8 最大uint su2=20;uint m=0;uint ad=0;uint ad0=0;uint j1=0;uint j2=0

20、;uint ad5=0;BYTE ch0=0; /模擬通道選擇BYTE ch5=5;uint er_flag=0;/使用 1-2 相驅(qū)動(dòng)#define AA A1=1;B1=0;C1=0;D1=0;#define BB A1=0;B1=1;C1=0;D1=0;#define CC A1=0;B1=0;C1=1;D1=0;#define DD A1=0;B1=0;C1=0;D1=1;#define AB A1=1;B1=1;C1=0;D1=0;#define BC A1=0;B1=1;C1=1;D1=0;#define CD A1=0;B1=0;C1=1;D1=1;#define DA A1=1

21、;B1=0;C1=0;D1=1;/函數(shù)聲明void delay_ms(uint x);void r_turn(uint i);void l_turn(uint i);void delay(WORD n)WORD x;while(n-)x=110;while(x-);void delay_ms(uint x)/延時(shí)函數(shù)uint y,z;for(y=x;y0;y-)for(z=130;z0;z-);void l_turn(uint i)/步進(jìn)電機(jī)右轉(zhuǎn)函數(shù)AA;delay_ms(i);AB;delay_ms(i);BB;delay_ms(i);BC;delay_ms(i);CC;delay_ms(i

22、);CD;delay_ms(i);DD;delay_ms(i);DA;delay_ms(i);void r_turn(uint i)/步進(jìn)電機(jī)左轉(zhuǎn)函數(shù)DA;delay_ms(i);DD;delay_ms(i);CD;delay_ms(i);CC;delay_ms(i);BC;delay_ms(i);BB;delay_ms(i);AB;delay_ms(i);AA;delay_ms(i);void l_dan()switch(m)case 0:AA;m+;break;case 1:AB;m+;break;case 2:BB;m+;break;case 3:BC;m+;break;case 4:C

23、C;m+;break;case 5:CD;m+;break;case 6:DD;m+;break;case 7:DA;m+;break;case 8:m=0;break;default :break;void r_dan()switch(m)case 0:DA;m+;break;case 1:DD;m+;break;case 2:CD;m+;break;case 3:CC;m+;break;case 4:BC;m+;break;case 5:BB;m+;break;case 6:AB;m+;break;case 7:AA;m+;break;case 8:m=0;break;default :b

24、reak;void ting_zhi()A1=0;B1=0;C1=0;D1=0;/LCD1602 初始化void write_com(uchar com)rs=0;P0=com;delay(1);en=1;delay(1);en=0;void write_data(uchar datae)rs=1;P0=datae;delay(5);en=1;delay(5);en=0;void display_shu(uchar hang,uchar add,uchar num)/在 1602 顯示數(shù)據(jù)的函數(shù)，hang 為第幾行，add 為位置，num 為數(shù)據(jù)uchar shi;shi=num;if(han

25、g=1)write_com(0 x80+add);write_data(0 x30+shi);if(hang=2)write_com(0 x80+0 x40+add);write_data(0 x30+num);void init_LCD()/初始化en=0;rw=0;write_com(0 x38);/顯示模式控制write_com(0 x0c);/顯示開關(guān)及光標(biāo)控制write_com(0 x06);/數(shù)據(jù)指針設(shè)置write_com(0 x01);/清零write_com(0 x80);void InitADC()P1ASF=0 x21;/輸入通道選擇與 CH 相配合使用,選擇 P12ADC

26、_RES=0; /轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)所在，高八位ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL; /內(nèi)部 AD 主要的控制寄存器 ADC_CONTR,選擇 P12;delay(100);BYTE get_ad0()/AD 讀取傳感器 1 的值A(chǔ)DC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ch0|ADC_START;_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_(); while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG);return ADC_RES;BYTE get_ad5()/AD 讀取傳感器 2 的值A(chǔ)DC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ch5|ADC_START;_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_(); while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG);return ADC_RES;void keyscan()if(k1=0)delay(5);if(k1=0)while(!k1);display_shu(1,1,1);su=32;