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1、摘要 本设计要求设计一个基于自由摆的平板控制系统，控制电机能使平板可以随着摆杆的摆动而旋转(3-5周)，摆杆摆一个周期，平板旋转一周。在平板上摆放一枚和八枚硬币，一枚硬币时用手堆动摆杆至一个角度(30度到45度)，八枚硬币时，用手堆动摆杆至一个角度(45度到60度)，启动系统后，让自由摆自由的摆动，在五个周期内，不让平板上的硬币掉下来。 本设计是基于AT89C52单片机为主控芯片，将角度传感器与自由摆顶端相连，利用角度和电阻值的线性关系，采用单片机进行AD转换器转换角度传感器两端电压的变化，并在LCD液晶屏上显示转换后的角度值，通过单片机对电机驱动芯片控制驱动电机，实现电机随着摆杆的摆动而正反
2、转和停转的功能，应用单片机对采集到的电压进行PID控制算法，再通过改变PWM的占空比达到精确控制电机转速的目的，从而使平板随着摆杆的摆动一直与水平面保持平行。基于自由摆的平板控制系统能够使放在平板上的小物件在摆动的过程中不会掉下来。关键词：AT89C52；AD转换；步进电机；LCD屏AbstractThe design requirements and design a tablet based on free pendulum control system can control the motor plate can swing with the pendulum rotates (3-5
3、 weeks), the pendulum swing a cycle, tablet revolution. Placed on the plate and an eight coins, a coin pile hand when moving to a pendulum angle (30 degrees to 45 degrees), eight coins, hand heap to a moving pendulum angle (45 degrees to 60 degrees), start the system, let freedom pendulum swinging f
4、reely in the five periods, not to fall flat on the coin.This design is based on AT89C52 microcontroller as the master chip, the angle sensor is connected to the top of the free pendulum, the use of angle and the linear relationship between the resistance value, the use of single-chip AD converter co
5、nverts the voltage across the sensor angle changes, and on the LCD screen displayed angle value after conversion by the motor driver chip microcontroller controls the drive motor, the motor with the swing of the pendulum and stopped reversing function, application microcontroller collected voltage P
6、ID control algorithm, and then by changing the PWM duty cycle to achieve the purpose of precise control of motor speed, so that the plate with the pendulum has been swinging parallel to the horizontal plane. Tablet based on free pendulum control system enables small objects on the plate in the swing
7、 process will not fall off.Key Words: AT89C52, ADStepper motor, LCD screen目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 课题背景与意义11.2 课题的内容与要求12 系统方案设计32.1 结构框图32.2 系统模块选择设计32.2.1 控制器模块32.2.2 角度转换模块42.2.3 电机模块42.2.4 驱动电机模块42.2.5 显示模块43 理论分析与计算53.1 自由摆平板系统模型建立53.2 自由摆旋转角度与电机旋转角度关系建模与分析63.3 发挥部分建模与设计64 电路与程序设计84.1 电路设计84.1.
8、1 驱动步进电机模块84.1.2 角度检测模块84.1.3 显示器模块94.1.4 系统电路94.2 程序设计104.2.1 Keil软件介绍104.2.2 程序设计流程图105 Protues仿真测试及分析125.1 Protues软件介绍125.2 Protues仿真测试电路135.3 测试数据135.4 测试分析14结 论15致 谢16参考文献171 绪论1.1 课题背景与意义 单片微型计算机简称单片机，常用英文字母的缩写MCU，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，学习使用单片机是
9、了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由仅有CPU的专用处理器芯片发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的8080是最早按照这种思想设计出的处理器，当时的单片机都是4位或8位的。其中最成功的是INTEL的8051，此后在8051上发展出了MCS51系列单片机系统。因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。尽管2000年以后ARM已经发展出了32位的主频超过300M的高端单片机，直到现在基于8051的单片机还在广泛的使用。在很
10、多方面单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了广泛的应用。事实上单片机是世界上数量最多处理器，随着单片机家族的发展壮大，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 现代人类生活中所几乎所有每件电子器件的产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机。汽车上一般配备几十种片单片机，复杂的工业控制系统上能使数百片单片机同时工作！单片机的数量不但远超过PC机和其他计算机的总和，甚至比地球总人数还多。 基于自由摆的平板控制系统设计有利于熟悉单片机原理和掌握C语言编程，增强动手能力。1.2 课题的内容与要求 设计并制作一个自由摆上的平板系
11、统，其结构如图1.1所示。摆杆的一端通过转轴固定在一支架上，另一端固定安装一台电机，平板固在电机转轴上；当摆杆如图1.2所示摆动时，驱动电机可以控制平板转动。用手推动摆杆至一个角度(在45度到60度间)，调整平板角度，在平板中心稳定叠放8枚1元硬币，启动后放开摆杆让其自由摆动。在摆杆摆动过程中，要求控制平板状态使硬币在摆杆运动中不从平板上滑落，并保持叠放状态。并且在平板上固定一激光笔，光斑照射在距摆杆150cm距离处垂直放置的靶子上。摆杆垂直静止且平板处于水平时，调节靶子高度，使光斑照射在靶纸的某一条线上，标识此线为中心线。系统启动后，在15秒钟内控制平板尽量使激光笔照射在中心线上。 图1.1
12、 自由摆结构 图1.2 自由摆摆动示意图2 系统方案设计本课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(在30度到60度间)，系统启动后，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1。2.1 结构框图本系统利用AD转换器转换自由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。主要由角度转换模块、电机模块、驱动电机模块，显示模块，控制模块。系统结构框图如图2.1所示。 图2.1 系统结构框图2.2 系统模块选择设计 本系
13、统以AT89C52作为控制核心，用四相八拍的步进电机来控制平板转动，采用TLC549AD转换器转换自由摆摆动角度，并利用LCD1602数码管显示角度，采用达林顿ULN2003步进电机驱动器驱动步进电机。下面分别介绍这几个模块的设计。2.2.1 控制器模块 采用ATMEL公司的AT89C52控制芯片。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，8k
14、B可反复擦写(大于1000次)Flash ROM，32个双向I/O口，256x8bit内部RAM，3个16位可编程定时/计数器中断，时钟频率0到24MHz，具有低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能。2.2.2 角度转换模块 采用TI公司的TLC549AD转换器2。TLC549是TI公司生产的一种低价位、高性能的8位A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，其转换速度小于17us，最大转换速率为4MHZ，4MHZ典型内部系统时钟，电源为3V至6V。可用于较小信号的采集，它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统3。2.2.3 电机模块
15、采用四相八拍的步进电机控制平板的运动。步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显。四相八拍步进电机最小步进角为0.9度，因此能实现平板转动的精确控制，步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性4，改变脉冲的顺序，就可以改变转动的方向，电机的停止、转速只取决于脉冲信号的脉冲数和频率，并且步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特性从而能较好的实现平板停止转动的目的。2.2.4 驱动电机模块采用达林顿ULN2003。ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN 复合晶体管组成，具有电流增益高、工作电压高，灌电流可达500mA，能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流
16、并行运行，还具有带负载能力强等特点，适应于各类要求高速大功率驱动的系统5。ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。2.2.5 显示模块采用LCD1602显示。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示符号、字母、数字等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，LCD1602能显示16*2，即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字
17、符和数字）。3 理论分析与计算3.1 自由摆平板系统模型建立 (1) 自由摆运动模型，系统是由轻杆和步进电机等组成，相较于步进电机轻杆重心可以近似为在平板附近，摆沿半径为l的弧长自由摆动。示意图如图3.1所示。图3.1 自由摆模型示意图 在最低位置时平板将达到最大速度，因此在不计空气阻力及固定点摩擦力的情况下利用能量守恒定律有：由此可以得出最大速度： 自由摆周期计算 根据单摆的周期计算公式：得单摆周期T=1.986ms。(2) 使硬币不滑落的模型分析根据单摆的物理规律平板随自由摆摆臂运动的加速度方向始终垂直与摆臂，当摆角30度到45度之间时，经过推算，硬币会受到平板沿平板方向上微弱的分力作用，
18、但是考虑到两者之间的摩擦力作用，静摩擦力要远大于沿平板方向分力作用，是不会使硬币发生位移。因此只要保持平板与摆臂的垂直就能保证硬币不会滑落。 自由臂开始运动时平板保持水平位置，要保证硬币不从平板上滑落需要平板尽快保持与自由臂垂直，因此在放开摆时则需要让平板尽快达到与自由臂垂直位置。3.2 自由摆旋转角度与电机旋转角度关系建模与分析由自由摆系统原理可知，控制平板状态要保持平衡，即摆杆摆动多少角度，平板就需要转动相应角。平板平衡示意图如图3.2所示。图3.2 自由摆旋转角与平板倾角关系 3.3 发挥部分建模与设计系统控制的发挥部分要求是激光笔在摆杆自由摆动的过程中，照射在靶子上的光斑始终位于靶子的
19、中心线上。已知摆长l=100cm，BC=150cm。自由摆逆时针旋转时为了使激光笔照射到中心线上，步进电机需要顺时针旋转角度如图3.3所示。 图3.3 自由摆逆时针旋转角度示意图 通过分析摆杆摆动的角度和平板相对水平方向的转动角度，建立数学方程式6，经数学计算可得步进电机旋转角度： 若自由摆顺时针旋转时为了使激光笔照射到中心线上，步进电机需要顺时针旋转角度如图3.4所示。图3.4 自由摆顺时针旋转角度示意图 经数学计算可得自由摆顺时针旋转时步进电机旋转角度： 4 电路与程序设计4.1 电路设计4.1.1 驱动步进电机模块本模块采用达林顿ULN2003驱动四相六线步进电机，电机的转速、停止由AT
20、89C52单片机所给达林顿ULN2003驱动器的脉冲信号频率和脉冲数，电路设计如图4.1所示。图4.1 驱动步进电机电路截图4.1.2 角度检测模块本模块采用滑动变阻器代替实物角度变化量。通过改变滑动变阻器电阻值来模拟角度变化，并采用TLC549AD转换器进行角度转换7。角度检测电路连接如图4.2所示。图4.2 角度检测电路截图4.1.3 显示器模块本模块采用1602LCD显示器实时显示自由摆角度变化，其电路如图4.3所示所示。 图4.3 显示模块电路截图4.1.4 系统电路 本系统采用TLC549AD转换器转换单摆摆动角度并用LCD1602显示角度，利用单片机接收信号并控制步进电机来控制平板
21、转动，系统电路设计如图4.4所示。图4.4 系统设计电路截图4.2 程序设计4.2.1 Keil软件介绍Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境(uVision)将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果使用C语言编程，那么Keil几乎就是不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程
22、，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会事半功倍。Keil优点Keil C51生成的目标代码效率非常的高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。C51工具包的整体结构，uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建
23、生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中8。4.2.2 程序设计流程图(1) 程序功能描述本系统控制程序主要功能是：利用角度和电阻值两端电压的一一对应关系，自由摆摆动使角度变化，采集滑动变阻器两端电压的变化，通过AD转换器转采集的电压变化数字量，再由程序计算得到角度变化的数字量，然后根据步进电机的步进角度换算成步进电机所需要步数，单片机进行算法控制，再通过改变PWM的脉冲数，
24、达到精确控制电机同轴的平板转过的角度。(2) 程序设计思路由于单片机采集到的是电压的模拟量，而自由摆旋转的角度和电阻两端的电压成线性关系。因此，必须经过A/D转换为数字量，再根据电压量与角度的一一对应关系，计算出该给步进电机多少脉冲，实现对电机的控制。 由此，程序设计流程图如图4.5所示9。图4.5 程序设计流程图 5 Protues仿真测试及分析5.1 Protues软件介绍 Protues软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚
25、起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等。2010年增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。 在编译方面，它也支持IAR、Keil ，Protues可
26、提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。除了现实存在的仪器外，Protues还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。在Protues搭建好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：HEX文件，可以在Protues的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。Protues是单片机课堂教学的先
27、进助手。Protues不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于Protues提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台。随着科技的发展“计算机仿真技
28、术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。在单片机开发应用中Protues也能茯得愈来愈广泛的应用。5.2 Protues仿真测试电路本系统仿真测试电路如图5.1所示。图5.1 系统仿真测试电路截图5.3 测试数据测试结果如表5.1表述。表5.1 测试结果次数12345678显示器角度604530200-20-45-60电机转过角度-57.8-42-21-15.8015.847.263误差2.2394.204.22.73 从表5.1可以得出电机转过角度与设计要求存在一定偏差，具体分析详见下文。5
29、.4 测试分析 (1) 自由摆转动由角位移采集数据，经处理器计算控制电机转动的过程需要消耗一定的时间。在这一定的时间之内自由摆又转动了一定的角度。因此，电机的转动总是晚于自由摆当时的角度产生误差。 (2) 步进电机的转动非无极转动，当需要转动的角度较小时无法刚好转动需要的角度产生误差。 结 论此次基于自由摆的平板控制系统设计，以单片机为控制核心，采用TLC549A/D转换器实时转换自由摆旋转角度及方向信息，并通过步进电机开环控制平板旋转角度，以实现控制要求。在一个周期里，平板角度调整速度快，平板旋转角度误差基本在15度以下，能够实现硬币滑动无跌落。本系统设计基本上能够达到设计要求。在测试和分析
30、过程中可以得到以下结论： (1) 采用高性能步进电机及配套的步进电机驱动器，该步进电机最小步进角为1.8度，且可对步进电机进行四细分、八细分、十六细分可调控制，进而实现步进电机的微小精确控制。此外，该步进电机具有较短的响应时间，经理论计算可完全满足平板保持动态水平的实时性要求。 (2) 电机转动3周，平板可以随着摆杆的摆动而旋转3周，摆杆摆一个周期，平板旋转一周，偏差绝对值不大于15度。 (3) 自由摆摆动时(在30度到45度间)，平板中心的一枚1元硬币（人民币）在5个摆动周期中不从平板上滑落。 (4) 自由摆摆动时(在45度到60度间)，平板中心的八枚1元硬币（人民币）在5个摆动周期中不从平
31、板上滑落。尽管本系统设计能够满足设计要求，但是在设计过程中也存在一些问题。设计过程中存在的问题如下： (1) 由于是模拟设计，不能采集到现场数据，仿真效果仅限于表现整个设计的完整性及可行性，并不反应现场真实状况。 (2) 步进电机的转动非无极转动，当需要转动的角度较小时无法刚好转动需要的角度产生误差。致 谢 本课题的设计工作是在我的导师侯涛老师的悉心指导下完成的，候老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢候老师对我的关心和指导。侯老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对
32、我影响深远。不仅使我掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。在设计过程中，侯老师给我做了非常重要的指导，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！同时，本设计的顺利完成离不开同学和朋友的关心和帮助。在课题设计及论文的撰写编排整个过程中，得到了许多的热情帮助，使我能够不断地学习提高。参考文献1 全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编M.北京:北京理工 大学出版社,2011:86-160. 2 阎石.数字电子技术基础M.北京:高等教育出版社,2006:145-171.3 童诗白.模拟电子技术基础M.北京:高等教育出版社,200
33、8:112-132.4 Yamamura S.AC Motor for High-performance ApplicationsM.New York:Marcel Dekker,1986:61-94.5 刘宝延.步进电机及其驱动控制系统M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1972:97-106.6 侯涛,赵贺.自由摆平板系统高精控制设计J.自动化仪表,2013,1(34):18-20. 7 吴建平.传感器原理及应用M.北京:机械工业出版社,2009:101-126. 8 周航慈.单片机应用程序设计技术M.北京:北京航空航天大学出版社,1991:37-183.9 郭天祥.新概念51单片机C语言编程教程M.北京:电子工业出版社,2009:57-421.
