1、2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽基于自由擺的平板控制系統(tǒng)（B題）【本科組】2011年9月3日II摘要：本系統(tǒng)以S3C2440 ARM單片機(jī)為控制核心，由觸摸液晶屏選擇控制實(shí)現(xiàn)不同過程的的切換，經(jīng)角度傳感器得到自由擺由初始位置擺過的角度，并將數(shù)據(jù)傳遞給ARM單片機(jī)，通過相應(yīng)數(shù)學(xué)及物理公式的運(yùn)算，最終實(shí)現(xiàn)題目要求的任務(wù)。其中平板控制部分使用行星減速步進(jìn)電機(jī)，增加了扭矩與控制精度。發(fā)揮部分采用加速度傳感器讀取數(shù)據(jù)，運(yùn)用三角函數(shù)計(jì)算控制平板的角度，使激光在擺動中保持打在靶上同一點(diǎn)。本系統(tǒng)具有工作精度高、反應(yīng)快速準(zhǔn)確、制作材料簡易等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：自由擺，平板控制，S3C2440 ARM單片機(jī)Abstra

2、ct：This system uses S3C2440 ARM MCU as control core. By touching LCD screen selection control, can the system achieve different process switching. The Angle Detector is supposed to get a free pendulum swing angle from the initial position, and the data is delivered to the ARM MCU, through the corres

3、ponding mathematical and physical formula calculation, finally achieve the task. The flat control part uses a Planetary Gearhead Stepping Motor, the torque is increased and the control precision. To the elaborate part, we use an acceleration transducer to read the data, using the trigonometric funct

4、ion calculation control the angle of the plate, so that the laser in the swing can be kept playing at the same point on the target. This system has many advantages, such as , the high working accuracy ,the quickly and accurately response, whats more, the used material is really simplicity.Key Wordsw

5、orth：Free Pendulum, Flat Control Part, S3C2440 ARM MCU目 錄1系統(tǒng)方案11.1 自由擺擺角測量的論證與選擇11.2 電機(jī)的論證與選擇11.3 平板水平檢測的論證與選擇21.4 控制系統(tǒng)的論證與選擇22系統(tǒng)理論分析與計(jì)算32.1系統(tǒng)基準(zhǔn)參考確定的原理與方法32.2平板小偏差轉(zhuǎn)動35周的過程分析32.2.1實(shí)現(xiàn)方案32.2.2高精度要求的細(xì)分與高轉(zhuǎn)速矛盾的協(xié)調(diào)方法32.3 保證硬幣不滑動的計(jì)算42.3.1 數(shù)學(xué)計(jì)算42.3.2 過程分析42.4 調(diào)整激光筆的計(jì)算42.4.1 數(shù)學(xué)計(jì)算42.4.2 過程分析53電路與程序設(shè)計(jì)53.1電路的設(shè)計(jì)53

6、.1.1系統(tǒng)總體框圖53.1.2 S3C2440 ARM單片機(jī)核心板原理圖53.1.3電源部分電路原理圖53.2程序的設(shè)計(jì)53.2.1程序流程圖54測試方案與測試結(jié)果54.1測試方案54.2 測試條件與儀器54.3 測試結(jié)果及分析64.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù))64.3.2測試分析與結(jié)論6附錄1：框圖及電路原理圖8附錄2：源程序12基于自由擺的平板控制系統(tǒng)（B題）【本科組】1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)要求電機(jī)能夠精確控制平板隨擺桿擺過的角度而轉(zhuǎn)動，故使用角位移傳感器、加速度傳感器、行星減速步進(jìn)電機(jī)、S3C2440 ARM單片機(jī)等模塊實(shí)現(xiàn)符合題目要求的設(shè)計(jì)，下面分別論證對于這幾個模塊的選擇。1.1 自由擺擺角測

7、量的論證與選擇方案一：直線位移傳感器。根據(jù)三角形內(nèi)角及邊之間的相關(guān)定理，可以測量自由擺劃過的的長度計(jì)算出擺角的大小。直線位移傳感器的功能在于把直線機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電信號。有效行程75mm1250mm，兩端均有4mm緩沖行程，精度0.05%0.04%FS，允許極限運(yùn)動速度為10m/s。然而自由擺為圓弧運(yùn)動不易測出直線距離，而且位移傳感器機(jī)械安裝固定困難。方案二：角位移傳感器。該傳感器采用特殊形狀的轉(zhuǎn)子和線繞線圈，模擬線性可變差動傳感器（LVDT）的線性位移，有較高的可靠性和性能，轉(zhuǎn)子軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生線性輸出信號。 此輸出信號的相位指示離開零位的位移方向。轉(zhuǎn)子的非接觸式電磁耦合使產(chǎn)品具有無限的分辨

8、率，即絕對測量精度可達(dá)到零點(diǎn)幾度?？蓪⒔俏灰苽鞲衅鞯霓D(zhuǎn)子固定在自由擺的轉(zhuǎn)軸上，可以根據(jù)角位移傳感器返回的阻值測出自由擺擺動的角度。角位移傳感器測量符合需求，機(jī)械安裝簡單，價格合適。綜合以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，角位移傳感器可以準(zhǔn)確讀出擺桿擺過的角度，故選擇方案二。1.2 電機(jī)的論證與選擇方案一：直流電機(jī)。直流電機(jī)是定義輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。加于直流電動機(jī)的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電動機(jī)電樞線圈中流過的電流，方向是交變的，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變，確保直流電動機(jī)朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動機(jī)的基本工作原理。直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速性能好，調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)

9、節(jié)。啟動，制動轉(zhuǎn)矩大、易于快速啟動、停止。然而直流電機(jī)的缺點(diǎn)是不能精確的控制轉(zhuǎn)角。方案二：模擬舵機(jī)。模擬舵機(jī)在空載時，沒有動力被傳到舵機(jī)馬達(dá)。當(dāng)有信號輸入使舵機(jī)移動，或者舵機(jī)的搖臂受到外力的時候，舵機(jī)會作出反應(yīng)，向舵機(jī)馬達(dá)傳動動力(電壓)。這種動力實(shí)際上每秒傳遞50次，被調(diào)制成開/關(guān)脈沖的最大電壓，并產(chǎn)生小段小段的動力。當(dāng)加大每一個脈沖的寬度的時候，如電子變速器的效能就會出現(xiàn)，直到最大的動力/電壓被傳送到馬達(dá)，馬達(dá)轉(zhuǎn)動使舵機(jī)搖臂指到一個新的位置。然后，當(dāng)舵機(jī)電位器告訴電子部分它已經(jīng)到達(dá)指定的位置，那么動力脈沖就會減小脈沖寬度，并使馬達(dá)減速。直到?jīng)]有任何動力輸入，馬達(dá)完全停止。模擬舵機(jī)的“缺點(diǎn)”

10、是：當(dāng)給予一個短促的動力脈沖，緊接著很長的停頓，并不能給馬達(dá)施加多少激勵，使其轉(zhuǎn)動。這意味著如果有一個比較小的控制動作，舵機(jī)就會發(fā)送很小的初始脈沖到馬達(dá)。對于本題中所需求的微小角度則不適合用模擬舵機(jī)控制。方案三：行星減速步進(jìn)電機(jī)。行星減速機(jī)具有高剛性，高精度(單級可做到1分以內(nèi))，高傳動效率(單級在97%-98%)，高的扭矩/體積比，終身免維護(hù)等特點(diǎn)。因?yàn)檫@些特點(diǎn)，行星減速機(jī)多數(shù)是安裝在步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)上，用來降低轉(zhuǎn)速，提升扭矩，匹配慣量。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.3 平板水平檢測的論證與選擇方案一：傾角傳感器。傾角傳感器經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平測量，從工作原理上可分為“固體擺”式、“液體

11、擺”式、“氣體擺”三種傾角傳感器，傾角傳感器還可以用來測量相對于水平面的傾角變化量。測量時可將傾角傳感器固定在自由擺臂上，這樣可以采集到自由擺擺動的角度。但是考慮到自由擺自身擺動的時候會產(chǎn)生切向的加速度影響傾角傳感器的效果。方案二：加速度傳感器。ST公司的LIS3LV02DQ數(shù)字三軸加速度傳感器，提供+/-2g、+/-6g兩檔加速度量程，直接輸出數(shù)字值，靈敏度高達(dá)（1/1024）g，（1/16384）g。該加速計(jì)能夠同時測量沿三個軸（x，y，z）的傾斜和加速動作，且噪聲級非常低，功耗小，對電池供電的便攜系統(tǒng)至關(guān)重要。由于本系統(tǒng)需精確控制平板保持水平狀態(tài)，故選擇方案二中不受切向加速度影響的加速度

12、傳感器。1.4 控制系統(tǒng)的論證與選擇方案一：STC89C51單片機(jī)。51是目前使用較為廣泛的8位單片機(jī)。具有8位CPU4kbytes 程序存儲器(ROM) (52為8K) ，256bytes的數(shù)據(jù)存儲器(RAM) （52有384bytes的RAM），32條I/O口線、11條指令，大部分為單字節(jié)指令，編寫程序較為簡單。但是它的計(jì)算速度不高，精度較低，程序儲存空間及數(shù)據(jù)儲存空間不夠大。方案二：S3C2440 ARM單片機(jī)。ARM（Advanced RISC Machines）處理器是Acorn計(jì)算機(jī)有限公司面向低預(yù)算市場設(shè)計(jì)的第一款RISC微處理器。ARM處理器本身是32位設(shè)計(jì)，但也配備16位指令

13、集。一般來講比等價32位代碼節(jié)省達(dá)35%，卻能保留32位系統(tǒng)的所有優(yōu)勢。它大量使用寄存器，大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成，指令執(zhí)行速度更快，能都滿足高精度的計(jì)算，同時具有很大的存儲空間綜合以上兩種方案，選擇方案二。2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1系統(tǒng)基準(zhǔn)參考確定的原理與方法通過角位移傳感器得到的是阻值，要定義某一個阻值為基準(zhǔn)及角度0。為保證精度減小誤差，避免每次0的阻值不同，每次程序啟動時要采集0的阻值。系統(tǒng)啟動之前將擺桿豎直，然后啟動程序采集0阻值即可確定0基準(zhǔn)。為保證平板與擺桿垂直，還要確定水平基準(zhǔn)?？梢詫⒓铀俣葌鞲衅鞴潭ㄔ谄桨迳希到y(tǒng)啟動時，根據(jù)加速度傳感器返回的信息控制電機(jī)使平板水平，設(shè)定此

14、為電機(jī)的基準(zhǔn)位置，確定電機(jī)基準(zhǔn)，即可確定之后電機(jī)的步數(shù)。2.2平板小偏差轉(zhuǎn)動35周的過程分析2.2.1實(shí)現(xiàn)方案要實(shí)現(xiàn)精確的角度控制，可以控制在自由擺的每個周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)平板轉(zhuǎn)動一周。當(dāng)檢測到周期開始時平板開始轉(zhuǎn)動，在此次周期結(jié)束前轉(zhuǎn)動一周，然后平板停止轉(zhuǎn)動。當(dāng)檢測到周期結(jié)束時即下次周期開始時，平板再次轉(zhuǎn)動一周。如此重復(fù)35周即可實(shí)現(xiàn)題目要求。2.2.2高精度要求的細(xì)分與高轉(zhuǎn)速矛盾的協(xié)調(diào)方法經(jīng)計(jì)算1米長得自由擺周期約為2秒，即減速步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一周的時間不得大于2秒，因此減速步進(jìn)電機(jī)的步長不能太小。然而為實(shí)現(xiàn)調(diào)整硬幣特別是激光筆時的精確控制，減速步進(jìn)電機(jī)的步長又不能太大。因此再選用減速步進(jìn)電機(jī)的同時，

15、要在最大轉(zhuǎn)速大于0.5 r/s得同時，步長要盡量小。我們選用減速比為13:1的減速步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)轉(zhuǎn)速在1 r/s與2 r/s之間。2.3 保證硬幣不滑動的計(jì)算2.3.1 數(shù)學(xué)計(jì)算 由簡單受力分析可知，平板與桿垂直時，硬幣與平板的加速度相同，硬幣不會相對平板滑動。2.3.2 過程分析由數(shù)學(xué)計(jì)算可知，當(dāng)平板與自由擺垂直時，硬幣與平板之間及硬幣與硬幣之間沒有相對滑動，此時硬幣不會滑落，只要控制平板與自由擺桿始終垂直即可。自由擺拉到一定角度放手時，平板由出事時刻水平與自由擺桿夾角不為90，逐漸轉(zhuǎn)到與擺桿垂直。此過程將由實(shí)驗(yàn)測出電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度，及轉(zhuǎn)速可能符合的函數(shù)曲線。達(dá)到垂直之后將電機(jī)轉(zhuǎn)子鎖住，保持平

16、始終與擺桿垂直。2.4 調(diào)整激光筆的計(jì)算2.4.1 數(shù)學(xué)計(jì)算=2a=2Lsin2c2=a2+b2-2abcos2sin=asinc2.4.2 過程分析由數(shù)學(xué)計(jì)算可以得到不同擺角電機(jī)對應(yīng)的要轉(zhuǎn)動的角度。處理器根據(jù)角位移傳感器采集到的擺角計(jì)算電機(jī)需要轉(zhuǎn)到的角度。通過調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使平板轉(zhuǎn)動盡量平滑，減小激光筆光斑的抖動，減小偏離中心線的距離。3電路與程序設(shè)計(jì)3.1電路的設(shè)計(jì)3.1.1系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖見附錄圖1。3.1.2 S3C2440 ARM單片機(jī)核心板原理圖S3C2440 ARM單片機(jī)核心板原理圖見附錄圖2。3.1.3電源部分電路原理圖電源由兩個12V鋰電池組串聯(lián)組成，為整個系統(tǒng)提供

17、12V及20V電壓，確保單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)的正常穩(wěn)定工作。電路圖見附錄圖3。3.2程序的設(shè)計(jì)3.2.1程序流程圖1、平板小偏差轉(zhuǎn)動35周子程序流程圖見附錄圖42、調(diào)整平板穩(wěn)定硬幣子程序流程圖見附錄圖53、激光準(zhǔn)直子程序流程圖見附錄圖64測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案調(diào)試電機(jī)和液晶屏等各個模塊分別能正常工作，之后將各個模塊組裝在一起，燒入程序逐漸調(diào)整整個系統(tǒng)正常工作。4.2 測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：數(shù)字萬用表，量角器，刻度尺。4.3 測試結(jié)果及分析4.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù))1、平板圓周旋轉(zhuǎn)角度的絕對

18、誤差 （單位/度）次數(shù)12345678誤差676876872、激光筆光斑位置與中心線距 （單位/毫米）擺動角度靜態(tài)時偏離距離動態(tài)時偏離距離608508407100307852055710421000-10418-20554-30778-40795-508-6084.3.2測試分析與結(jié)論誤差分析：1、 自由擺轉(zhuǎn)動由角位移采集數(shù)據(jù)，經(jīng)處理器計(jì)算控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的過程需要消耗一定的時間。在這一定的時間之內(nèi)自由擺又轉(zhuǎn)動了一定的角度。因此，電機(jī)的轉(zhuǎn)動總是晚于自由擺當(dāng)時的角度產(chǎn)生誤差。2、 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動非無極轉(zhuǎn)動，當(dāng)需要轉(zhuǎn)動的角度較小時無法剛好轉(zhuǎn)動需要的角度產(chǎn)生誤差。3、 自由擺無法避免的阻尼和前后擺動造成相應(yīng)的系統(tǒng)誤差。根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：1、電機(jī)轉(zhuǎn)動3周，平板可以隨著擺桿的擺動而旋轉(zhuǎn)3周，擺桿擺一個周期，平板旋轉(zhuǎn)一周，偏差絕對值不大于45。2、自由擺擺動時（在3045間），平板中心的一枚1元硬幣（人民幣）在5個擺動周期中不從平板上滑落，滑動距離不大于1cm。3、自由擺擺動時（