内容发布更新时间 : 2024/5/7 17:22:28星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

基于自由摆的平板控制系统

摘要：本设计以STM32F103单片机为主控芯片，以角速度传感器加速度传感

器光电旋转编码器和电机驱动电路为核心。在杆摆动的过程中，用单片机对三路传感器数据进行采集，然后把三者值进行综合分析后再通过DS335两相细分步进电机驱动器控制步进电机和舵机，实现电机随着摆杆的摆动而正反转和停止转动的功能，从而使平板随着摆杆的摆动而旋转，使平板上的物品在摆杆的摆动过程中不会掉落，以及使平板始终保持在一个水平面上。

关键词： STM32F103

单片机 角速度传感器 加速度传感器 光电旋转编码

器 两相细分步进电机驱动器 步进电机 舵机

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目 录

1系统方案

1.1主控芯片的方案与选择 1.2传感器的方案与选择

1.3 电机以及电机驱动的方案与选择 1.4 系统初始启动的方案与选择

2系统理论分析与计算

2.1平板状态的分析与计算 2.2自由摆运动过程的分析与计算 2.3激光管照射模块的分析与计算

3电路与程序设计

3.1系统总体框图 3.2步进电机驱动电路图 3.3传感器电路图 3.4程序流程图

4测试方案与测试结果

4.1测试仪器与测试方案 4.2主要测试结果 4.3测试结果分析

附录1：电路原理图 附录2：源程序

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自由摆的平板控制系统（B题） 【本科组】 1系统方案

本系统主要由传感器模块、电机模块、初始启动模块、控制模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1主控芯片的方案与选择

方案一：使用传统的51单片机作为主控制器，价格低廉，但其运算速度慢，且片内资源少，存贮量小，难以实现复杂的算法。

方案二：使用TI公司的MSP430单片机作为主控制器，价格低廉，片内资源多，但其运算速度慢，难以对传感器的值进行实时的有效处理。

方案三：使用基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103单片机作为主控制器，片内资源多，运算速度快，可以很快处理数据从而控制电机的运动，实时性高，控制的准确性高。

方案比较：综合比较，选择方案三。 1.2传感器的方案与选择

方案一：使用双轴倾角传感器SCA103T-D04，测量范围正负15度，可适用于垂直方向的各种角度的测量。

方案二：使用电位器作为角度传感器，由于不同角度输出的电阻值不同，通过AD采样电阻两端电压，计算得到角度。

方案三：使用光电旋转编码器，体积小，安装方便，性价比高，可准确测量物体的旋转速度、角度、加速度以及长度。

方案四：使用角速度传感器和陀螺仪传感器，对其数值综合得到旋转角度。

综合比较：对于方案一，虽然SCA103T精度高，但它是基于加速度原理进行测量，在对倾角检测时，应保证被检测设备匀速运动，否则会引进误差。而在自由摆中，平板不可能做匀速运动，虽然可以采用峰值滤波和一阶惯性滤波相结合的方式通过软件编程进行处理，但比较繁琐，并且在不同角度需做不同的算法处理。对于方案二，对于一般的电位器，线性度较差，而对于线性度较好的电位器，价格昂贵。对于方案三，使用旋转编码器，可以直接对输出电压进行ＡＤ采样，计算得出角度值，但有时候测出的值不准确。对于方案四，所用传感器价格便宜，测量数据准确，但是在摆杆摆动过程中，会发生抖动，从而所得的值也会有上下波动。综合考虑，结合方案三和方案四来测量自由摆运动过程中的倾角，利用方案四对方案三进行校准。

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1.3电机以及电机驱动方案的与选择

方案一：使用伺服电机作为执行元件，运行精确，可高速制动，惯性小，适合闭环控制，电机驱动选择L298驱动芯片，该芯片内含两个H桥式电机驱动电路，其优点在与驱动电流大，工作稳定，但不可细分。

方案二：使用步进电机作为执行软件，由于步进电机是采用脉冲驱动，精度较高，适合开环控制，电机驱动采用DS335两相细分步进电机驱动器，该驱动器不仅驱动电流大，而且还可细分，从而使得电机的转动步子更为精确。

方案比较：综合比较，选择方案二。 1.4系统初始启动的方案与选择

方案一：采用人工手动的方式，人为的开始启动，这样很难做到程序的启动和摆杆启动的统一。

方案二：使用一个舵机，把摆杆挂在脱机上，当程序开始运行时，首先给舵机一个信号让其释放摆杆，可以达到程序运行和摆杆释放上动作的统一，可避免由于时间的烟雾而产生误差。

方案比较：综合考虑，选择方案二。 2系统理论分析与计算

2.1平板状态的分析与计算

初试状态时，平板与摆杆垂直，当逆时针移动摆杆，由旋转编码器可以测得摆杆与垂直的角度θ,由按键逐步调整平板角度，有控制器记录，平板顺时针转动可α，则平板与水平面夹角为β=θ-α。

2.2自由摆运动过程的分析与计算

自由摆AB从自然下垂状态逆时针摆动θ后到达AB’处，如图1所示，假设平板与水平面夹角为β，做辅助线CD⊥AB’,则α=θ-β，ɡ=90°-θ，对平板上的一硬币进行受力分析，易知Fn=mg*cosβ,，由于硬币的摩擦系数极小，从而摩擦力忽略不计，整个平板沿CD方向的加速度为g*sinθ,为了使硬币不从平板上滑落，硬币沿CD方向的加速度

g*cosθ-g*cosβ*sinα=g*sinθ,，联立以上各式，可知β=θ，即在自由摆的运动过程中，平板应于摆杆始终保持垂直。

2.3激光照射模块的分析与计算

AB为自由摆，长度为100cm，若逆时针旋转θ后位置为AB’,如图2所示，为了使激光笔照射到中心线上，步进电机需要顺时针旋转α角度，计算如下：r=90°-θ,α=180°-β-α； 若顺时针旋转θ后位置为AB’，如图3所示，为了使激光笔照射到中心线上，步进电机需要顺时针旋转α角度，计算如下：α=θ-β；

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图1 硬币受力分析示意图 图2 自由摆逆时针旋转摆动示意图

图3 自由摆顺时针旋转摆动示意图 3电路与程序设计

3.1系统总体框图 系统总体框图如下图所示 角速度检测模块 光电旋转编码器模块 键盘模块

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电源模块 主控制器 陀螺仪模块 STM32F103 步进电机模块 舵机模块