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基于自由摆的平板控制系统(B题)
摘要通过对该测控系统结构和特点的分析,结合现代控制技术设计理念实现了以微控制器STC1C5A60S2系列单片机为核心的基于自由摆的平板控制系统。我们通过支架几何关系得到平板的摆动角度与角度传感器之间的数学关系,通过数学拟合的方法做出角度变化的曲线。从而达到控制电机的目的。其工作过程为:角度传感器模块通过对摆杆摆动过程中的信号采集然后经过A/D采样后反馈给主控制器。控制器根据角度传感器反馈信号对电机的转动做出调整,进行可靠的闭环控制,同时由显示模块显示当前自由摆的角度。在自由摆摆动的过程中固定在步进电机上的平板始终保持与摆杆相垂直。
关键词:平板控制、STC12C5A60S、角度传感器、步进电机
1、设计任务

设计并制作一个自由摆上的平板控制系统,结构如图1所示。摆杆的一端一段通过转轴固定在一个支架上,另一端固定安装一台电机,平板固定在电机转轴上;当摆杆如图2所示时,驱动电机可以控制平板转动。


1)当摆干摆动一个周期,电机旋转360度,误差不大于。
2)用手拖动摆杆一定角度(到),调整平板角度,放一枚硬币,让其自由摆动,摆动过程中,控制平板的状态使硬币在5个周期内不从板上滑落。
3)用手拖动摆杆一定角度(到),调整平板角度,在板中心叠放8枚硬币,让其自由摆动,摆动过程中,控制平板的状态使硬币在5个周期内不从板上滑落。

1)在平板上固定一激光笔,光斑照射在距平板150cm垂直放置在靶子上,
摆杆垂直静止且平板处于水平时,调节靶子的高度使激光照射到任意一条靶纸的线上,标识为中心线,用手拖动摆杆一定角度(到),启动后,系统应在15秒内控制平板尽量使激光笔照射到中心线上,误差不超过1cm,完成后用指示。
2)完成1)后,调整平板使激光笔照射到中心线上,启动后放开摆杆让其自由摆动,摆动过程中尽量使激光斑点照射到中心线上。
3)其他

解决该题目的重点在于在摆杆摆动过程中如何控制电机自动的跟随角度的变化调整平板的角度,也就是实现步进电机的连续平滑的调速,同时确保这个调速的过程中电机尽可能小的抖动。因为本系统对控制的精度和随动性能的要求高,所以电机驱动和传感器的选择也是一个关键因素。
2、方案的设计论证及硬件电路设计

方案一、采用XC9000系列的FPGA。该种类器件具有并行处理能力,能快速的响应外部的各种数字信号,但在数字的乘除运算等数据处理方面不方便,而且芯片价格较昂贵。而且本电路的控制部分不是很复杂,采用XC9000系列的FPGA性价比不高。
方案二、采用STC8952单片机作为控制核心,单片机数学运算功能较强面,处理方便灵活,适合实际应用。且单片机技术发展较为成熟,价格便宜。但速度较慢,集成的功能较少,在控制电路中用起来不是很灵活。
方案三、采用STC1C5A60S2系列单片机作为为控制器,STC1C5A60S2/AD/PWM系列单片机是单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051系列单片机。指令代码完全兼容51。但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路。2路PWM、8路高速10位A/D。针对电机控制及强干扰场合。
方案四、选用三菱FX2N系列PLC逻辑控制器来实现控制过程,由于PLC接线较为方便,而且能较好的实现PID环节。但该测控系统的实现价格较为昂贵。
综合比较,基于本系统电机控制反应速度及精度要求高的特点考虑,选择方案
三比较合适。
、数据采集模块的选择
方案一、采用单轴倾角传感器SCA610,它是VTI公司生产的高精度低量程加速度传感器体积小,只需要使用一片,直接将其放在平板上就可以检测出平面的倾角。它使用有限数量的电容就能得到高精度和稳定性。并且便于判断。但它在侧倾角的时候需要一个水平面作为参考,在本系统中安装较麻烦。
方案二、绝对式角度传感器,当传感器转到一个位置,就会输出一个特定的信号。这个信号是唯一不变的。这种传感器可以唯一确定传感器转动的位置。但其价格比较贵。
方案三、采用高精度薄膜式电位器,本系统用导电塑料薄膜角位移传感器型号WDS35D价格合理,角度和电压成线性关系,控制运算方便精度完全可达到系统的要求。而且安装起来比较方便。
基于以上原因考虑,我们选择方案三
执行模块的选择
方案一、采用减速步进电机,型号28BYJ48、5V电压。价格便宜,但输出功率不够,旋转速度慢,达不到题目的要求。
方案二、采用42BYGH4604两相六线24V马达步进电机。其特点是步距角为
,两相六线接法,额定电压为24V,输出功率完全满足系统的指标。但它是