【VIP专享】2011年全国大学生电子设计竞赛_基于自由摆的平板控制系统(B题)

2011年全国大学生电子设计竞赛

基于自由摆的平板控制系统（B题）

【本科组】

2011年9月2日

摘要

本题要求设计一个自由摆平板控制系统，其中倾角传感器SCA60C、步进电机和单片机AT89C52系统是核心部件。利用SCA60C倾角传感器进行数据采集；在控制平板转动角度、速度方面，经过充分比较、论证，最终选用了控制精确的步近电机42BYG250-40，其最小步进角1.8度，易于控制平板转动角度；将倾角传感器采集数据进行AD转换将数字信号传给单片机并通过共阳数码管实现显示自由摆偏转角度；采用单片机内部时钟实现精确计时。最后的实验表明，系统完全达到了设计要求，并增加了角度显示创新功能。

关键词：自由摆、倾角传感器SCA60C、单片机、步进电机、数码管显示。

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目录

一：系统方案…………………………………………………………………………P41.1方案论证…………………………………………………………………………P4

1.1.1控制器模块………………………………………………………………P41.1.2角度检测模块………………………………………………………………P41.1.3电机模块……………………………………………………………………P41.1.4驱动电机模块………………………………………………………………P41.1.5显示模块……………………………………………………………………P41.1.6电源模块……………………………………………………………………P41.2系统设计…………………………………………………………………………P51.3结构框图…………………………………………………………………………P5二、理论分析与计算…………………………………………………………………P52.2自由摆偏离角与平板倾角关系…………………………………………………P52.1时钟周期与平板转动角度关系…………………………………………………P5三、电路与程序设计…………………………………………………………………P63.1检测电路设计……………………………………………………………………P63.2电源模块设计……………………………………………………………………P63.3驱动步进电机模块………………………………………………………………P63.4软件设计与工作流程图…………………………………………………………P73.4.1软件设计………………………………………………………………………P73.4.2工作流程图……………………………………………………………………P7四、测试方案与测试结果……………………………………………………………P84.1测试仪表…………………………………………………………………………P84.2自由摆摆动一个周期时间测试……………………………………………………P84.3平板转动固定角度需给脉冲数目的确定…………………………………………P84.4测试功能实现………………………………………………………………………P8五、结语………………………………………………………………………………P8附录

附录一总原理图………………………………………………………………………P10附录二源程序…………………………………………………………………………P11

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一：系统方案

本题要求设计并制作一个自由摆上的平板控制系统，能实现在自由摆摆动过程中平板自由旋转，以及在自由摆摆动过程中平摆上放置硬币使硬币不滑落。发挥部分要求实现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平板上的激光笔照射在设定的中心线上。

本系统利用角度传感器检测单摆摆动角度并用数码管显示，利用单片机接收信号并控制步进电机来控制平板转动。主要由角度检测模块、电机模块、驱动电机模块，显示模块，电源模块，控制器模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1方案论证

1.1.1控制器模块

方案一：采用ATMEL公司的STC89C52。52单片机价格便宜，应用广泛，其功能足以实现本设计要求。

方案二：采用凌阳公司的SPCE061A单片机作为控制器的方案。该单片机I/O资源丰富，但是价格昂贵。

综合考虑，我们选择价格便宜的方案一。1.1.2角度检测模块

方案一：采用深圳市华夏磁电子技术开发有限公司的AME-B001角度传感器，0－360度测量范围，安装非常不方便，而且电压输出信号，采集不便。方案二：采用SCA60C倾角传感器，—90°~+90°测量范围。模拟0.5—4.5输出，工作温度范围宽，价格便宜，安装方便，电压输出信号，采集不便。

方案三：采用OMRON公司的E6B2-CWZ6C编码器，数字信号输出，采集方便，价格昂贵，安装不便。

由性价比考虑以及安装简便程度选择方案二。1.1.3电机模块

方案一：采用直流减速电机控制平板，直流减速电机力矩大，转动速度快，但其制动能力差,无法达到平板转动的要求。

方案二：采用型号42BYG的步进电机控制平板的运动，最小步进角为1.8度，因此能实现平板转动的精确控制，而且当不给步进电机发送脉冲的时候，能实现自锁，从而能较好的实现平板停止转动的目的。1.1.4驱动电机模块

方案一：采用BY-2HB03MA步进电机驱动器，此款驱动器使用THB6128芯片，电源损耗低，开关效率高。细分数可选1/1，1/2，1/4，1/8，1/16，1/32，1/64，1/128。方案二：采用ZD—6209—V2步进电机驱动器，高可靠性，街口采用超高速光耦隔离，细分数可选1/1，1/2，1/4，1/8，1/16。

考虑到本设计不需用太高的细分，1/8细分即可，故选择方案二。1.1.5显示模块

方案一：用LED显示，优点亮度高、成本低。但不能显示汉字，显示内容较少。方案二：采用金鹏电子的图形点阵式液晶OCJM4*8C。串行接口，显示简单。

考虑到本设计显示模块只用来显示自由摆摆动的角度，数码管显示即可，故选方案一。

1.1.6电源模块

方案一：用开关电源S-25-12高效率，高可靠，输出12V电压。方案二：用电池组供电，相对较不可靠。

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经比较，选择可靠性较高的方案一，输出的12V电源可直接给电压跟随器和驱动电机供电，其余部分所需的5V电源可利用三端稳压器稳压后输出。1.2系统设计

根据上述方案论证，我们确定以STC89C52作为控制核心，采用型号为42BYG的步进电机控制平板转动，采用SCA60C倾角传感器检测自由摆摆动角度，通过AD转换器将数字型号送给单片机，并利用数码管显示角度，采用ZD—6209—V2步进电机驱动器驱动步进电机。1.3结构框图

倾角传感器AD转换器单片机最小系统步进电机驱动器步进电机平板图一系统总体结构框图

二、理论分析与计算

2.1时钟周期与平板转动角度关系

本设计步进电机驱动器设定为16细分，1细分时，步进电机驱动器步进角度为1.8度，故16细分时，每给一个脉冲步进电机转轴转动（1.8°÷16）=0.1125°。

自由摆摆长为100cm，由周期计算公式T=2π√（L／g）得出摆动周期大约为2秒。要使平板在自由摆摆动一个周期内旋转一周（360°）则单片机时钟周期为312.5us2.2自由摆偏离角与平板倾角关系

θθ三、电路与程序设计3．1检测电路设计

倾角传感器与电压跟随器连接，将电压信号传给AD转换器电路图如下所示。

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