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1、摘要本系统以单片机为控制核心，运用C语言编写程序，由传感器检测位移角度，完成平板的自由旋转控制、平板跟随自由摆摆角控制、以及自由摆摆动过程中控制平板完成激光笔定点控制，设计和实现基于自由摆的平板运动控制系统。系统选用8位的AT89C52单片机，所选传感器为 MMA8452三轴数字加速度传感器作为系统角度的检测模块，并通过IIC总线实施与单片机之间的信号传输，利用ULN2003A步进电机驱动器驱动步进电机作为系统的执行机构来推动电机轴上的平板运动。论文设计和实现了能完成功能的控制系统硬件，并通过高效的步进电机自适应控制算法和合适的数字控制滤波程序精确控制电机的转角及转速。由于只是模拟基于自由摆的
2、过程和虚拟显示结果，所以此设计较实物还存在一定差距，本系统最后实现了由滑动变阻器控制模拟量输入，输入值为0V到5V，单片机控制步进电机转动，LM106L液晶显示步进电机所转的角度，角度变化为-90度到+90度之间。关键词：AT89C52；MMA8452；自由摆AbstractThe system takes the SCM as the control core, the use of C language procedures, detected by the sensor displacement angle, complete the flat free rotation control
3、, follow the free swing angle control panel, and a free pendulum swing process control plate laser pen point control, design and Implementation Based on free pendulum plate motion control system.System selection of8 bit AT89C52microprocessor, system uses MMA8452three axis digital accelerometer as sy
4、stem angle detection module, and through IIC bus is implemented with SCM signal transmission, using stepper motor drive stepper motor as the actuator system to drive the motor shaft plate movement. The design and implementation of can complete the function of the hardware of the control system, and
5、through the efficient stepper motor control algorithm for adaptive and appropriate digital control filtering procedures accurate control of motor rotation and speed.Because the only virtual demonstration system operation process, so is not up to the real required less strict, simulation of stepping
6、motor the rotation angle and the input control error.Key words: AT89C52; MMA8452; free pendulum1 方案选择与论证1.1总体方案设计系统主要包含四个功能模块：电源模块、角度信号检测模块、驱动模块及人机接口模块。电源模块负责向系统供电。角度信号检测模块包含两个MMA8452三轴加速度传感器，负责实时检测自由摆摆臂与垂直方向的夹角及平板与水平方向的夹角。驱动模块由电机驱动器及步进电机组成，主要控制平板转动，保证系统功能的实现。人机接口模块包括按键和液晶，通过按键选择菜单功能，液晶显示板上主要显示菜单，实时
7、检测到的数据及系统运行结果。系统总体控制采用飞思卡尔公司的8位单片机AT89C52。 本系统需要解决的核心问题是摆臂摆动过程中角度信号的检测以及步进电机控制控制平板作相应转动的算法实现。系统的总体结构框图如图1所示 图1 系统结构框图1. 2系统控制策略的确定1.2.1控制思路算法对于控制系统设计是一个相当重要的环节，因为只有在确定了算法之后才能对系统中步进电机的速度进行准确的控制，达到精确定位的目的。自由摆的运动是连续运动，摆末端平板的变化也是一个连续的渐变过程，在连续的闭环过程控制中，按偏差的比例(P),积分(I)、微分(D)进行控制的PID控制技术是应用最广泛的控制方式。它具有原理简单、
8、易于实现、鲁棒性强和适用面广等优点。系统控制可以选用模拟控制和数字控制两种方式，比较之下，数字控制系统结构简单并且能够实现较复杂的控制规律，从而达到精确控制被控对象的目的。本次设计选用数字控制的方法，以飞思卡尔公司的8位单片机AT89C52为控制核心，用程序实现PID控制规律控制被控对象。数字控制系统是包括数字计算机和被控对象的闭环控制系统，被控对象的输出以及控制信号一般为连续的模拟信号，而计算机接受的是二进制编码的数字信号，本系统由于采用全数字角度传感器，因此不需要进行A/D转换；本次设计用到的执行元件是步进电机，可以接受数字信号，故也不需要D/A转换环节。1.2.2控制数学模型PID控制算
9、法框图如图3所示。图3 PID控制框图本控制系统采用增量式数字PID控制规律，其表达形式如(式1)所示。 (式1)其中，是比例系数，是积分时间常数，是微分时间常数。1.3控制器的选择本系统对于信号检测的高速稳定和电机控制的快速精确有较高要求，且控制过程算法包含大量运算，所以需要采用具有较高运算速度的MCU。我们选用飞思卡尔公司的8位单片机AT89C52，具有高可靠性、强抗干扰性的特点，可以很好的满足系统要求。此芯片特点是拥有全静态的“等待”和“停止”两种模式，可以实现低功耗工作；BDM在线仿真，可以方便的实现调试过程中对测试数据的实时观察；拥有丰富的I/O口，片内集成大量功能模块，方便扩展外围
10、功能。1.4角度传感器的选择 题目要求对固定在摆杆末端的平板进行控制，保持平板上的硬币不掉落，因此系统处理器需要得到准确的平板和摆杆与水平面和竖直面的角度反馈。这就需要高精度的角度传感器，且要能快速传送采集到的数据供单片机实时处理。方案一：编码器。编码器把角位移转换成电信号，经过A/D数字化后供单片机处理，编码器有较高的精度和快速的反应灵敏度，可以满足系统对信号检测的要求，但是编码器价格比较昂贵。方案二：数字加速度传感器。加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力。通过测量由于重力引起的加速度，可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速
11、度，可以分析出设备移动的方式。方案三：无触点角度传感器。将机械转动或角度变化量转化为电信号，无触点的测量转动角度，输出模拟电压信号。其特点是无触点、无噪声、无磨损、低转矩、灵敏度高、可靠性高、360转动、高频响应特性好。本系统设计选用方案二。1.5执行电机的选择执行电机的选择是整个系统设计的关键，选择合适的电机能较好地达到设计要求。方案一：采用直流减速电机。直流减速电机是在普通直流电机的基础上，加上配套减速齿轮箱，转动力矩大，转向控制方便。方案二：采用步进电机。步进电机将电脉冲转化为角位移，旋转的度数可以通过控制驱动的步进数来精确实现，并且可以通过输出PWM信号的频率调整转速。方案三：采用伺服
12、电机。伺服电机在有控制信号时就转动，转速大小正比于控制电压的大小，伺服电机是闭环控制，其响应和精度都较高，但是价格比较昂贵。考虑到需要对系统摆杆末端平板的旋转角度进行精确计算控制，以达到实时微调，并考虑性价比，我们选择方案二步进电机。2理论分析与计算2. 1摆臂摆动与步进电机转速间的关系摆臂摆动的周期T2 摆臂长度L1.03m，重力加速度g=9.8m/s2，圆周率3,1415926。摆臂每摆动一个周期，步进电机转动360。步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频
13、率。根据单摆摆动周期T计算出步进电机输出信号即PWM信号的输出频率，也就计算出电机转轴步进角增量。通过计算，可得步进电机步距角为：0.028，转动一周为360，由此计算出平板旋转一周需要给步进电机的脉冲个数为360/0.028=12857。2.2电机转动保持平板平衡状态理论分析及建模在自由摆的平板控制系统中，要使硬币相对平板静止，必须使硬币具有与平板相同加速度。由于摩擦力较小，可以忽略不计。利用加速度传感器检测到的自由摆角度为，检测到的加速度为a，假设平板的转动角度为（系统的控制量，也是要求解的量）。受力分析如图4所示。图4 受力分析图根据上图所示硬币的受力分析，得到以下结果：Gy=FNyGx
14、-FNx=maGx=sinm硬币g=58.8 sinGy=58.8cosFNy= FN cos(-)FNx= FN sin(-) 所以 58.8cos= FNcos(-) (式2) 58.8sin- FNsin(-) =6a (式3)根据式（2）、（3）可得 (式4)由（式4）可得平板的转动角度的关系式。加速度a和自由摆的角度可由传感器测得，即硬币的合力已知。因此可以根据（式4）编写控制算法。算法实现说明：根据题目的功能要求，首先用手将摆杆推至一定角度（），在此过程中，需连续控制电机使得平板保持水平状态，也可将摆杆推至固定位置时再启动平板控制装置。在摆杆推动过程中，MMA8452实时采集摆臂与垂直方向的夹角，并将本次记录的角度与上次记录角度之差作为调整步进电机的控制平板方向的依据。2.3激光笔始终指向确定中心线理论分析及建模确定中心线的几何关系如图5所示。由该图可推导出单摆倾角与激光笔在瞄准过程中与水平面的夹角的关系，如(式5)所示。图5 激光笔瞄点几何关系图 (式5)
