自由摆实验报告.doc

基于自由摆的平板控制系统(B题)

摘要

本系统以单片机为控制核心，采用增量旋转编码器实时采集自由摆旋转角度及方向，通过步进电机开环控制平板旋转角度，以实现控制要求。此外，为方便实验和调试，专门设计了独立的单片机角度显示电路。本设计以旋转编码器的脉冲触发单片机的中断来控制平

板角度的调整，这种外部事件驱动的程序设计方法能够及时响应摆

杆角度的变化，避免了复杂的定时采样程序设计，总体程序设计简洁，响应时间快，控制精度高。在激光笔瞄准时采用了查表法，避免了单片机进行复杂三角函数运算造成的舍入误差对实验精度的影响，从而达到了在一个周期里电机精确旋转一周；平板角度调整速度快，8枚硬币滑动小无跌落；实时控制激光笔保持静态水平误差

在1cm以内；动态控制误差在2cm以内的实验效果。

Ⅱ

关键字：外部事件驱动程序设计

制

目录

1系统方案分析1

1.1.1控制器选用2

1.1.2控制系统方案选择2

旋转编码器

平板精确控

1.2角度测量模块的论证与选择2

1.3步进电机及其驱动模块的论证与选择2

Ⅲ

2系统理论分析与计算3

2.1自由摆平板控制系统的分析 3

2.1.1自由摆平板系统模型建立4

2.1.2角度测量原理分析5

2.1.3平板角度的分析5

2.2角度测量的计算7

2.2.1单位脉冲转过角度计算7

2.2.2编码器可行性计算7

IV

2.3步进电机模块的论证分析……7

2.3.1步进电机节拍数与螺旋码盘输出脉冲之间关系7

2.3.2步进电机最大空载启动频率分析与计算7

3电路与程序设计8

3.1电路的设计8

3.1.1系统总体框图8

3.1.2整体电路原理图9

3.1.3显示子系统框图与电路原理图9

V

3.2程序的设计10

3.2.1程序功能描述10

3.2.2具体的程序分析设计124测试方案与测试结果13

4.1测试方案13

4.2测试条件与仪器13

4.3测试结果及分析14

4.3.1测试结果(数据)14

VI

4.3.2测试分析与结论16

实验总结16

参考文献17

附录1:电路原理图18

附录2:源程序21

附录3:主要元器件清单22

VⅡ

基于自由摆的平板控制系统(B题)

【本科组】

1系统方案分析

系统设计任务为一种基于自由摆的保持平板平衡的控制系统。基本要求是保持平板上硬币的平衡滑动小或滑落少，进一步的要求是让平板上激光笔射在靶纸上的光斑偏移量尽可能小。在实时控制时，

对自由摆的摆角、摆速及摆动方向的测量十分关键，平板角度的控

制精度和相应速度也直接决定着最终的控制效果。据此，本系统采

用以单片机为核心的自由摆控制系统主要由以下几个功能模块构

成：

1、单片机控制模块

2、角度测量获取模块

3、平板平衡控制模块

4、电机驱动模块

5、角度值显示模块

系统框图如图一所示。

2

角度测量

角度测量

获取

单片机控制角度值显示

驱动

平板平衡

控制

3

图一系统组成框图

1.1主控制器件的论证与选择

1.1.1控制器选用

我们选用MC9S12XS128单片机作为控制核心。

1.1.2控制系统方案选择

方案一：采用在面包板上搭建简易单片机系统

4

在面包板上搭建单片机系统可以方便的对硬件做随时修改，也易于搭建，但是系统连线较多，不仅相互干扰，使电路杂乱无章，而且

系统可靠性低，不适合本系统使用。

方案二：自制单片机印刷电路板

自制印刷电路实现较为困难，实现周期长，此外也会花费较多的时

间，影响整体设计进程。不宜采用该方案。

方案三：采用单片机最小系统。

单片机最小系统包含了显示、矩阵键盘、A/D、D/A等模块，能明显

5

减少外围电路的设计，降低系统设计的难度，非常适合本系统的设

计。

1.2角度测量获取模块的论证与选择

方案一：采用加速度传感器

加速度传感器采用模拟量输出，需要放大电路及A/D完成角度的测量，由于在传输回路中模拟信号易受干扰，测量结果容易产生误差，通过数字滤波等技术虽然能够在一定程度上消除干扰造成的误差，

但是，滤波运算增加了CPU的负荷。

6

方案二：采用电位器作为角度传感器

自由摆系统的角度测量也可采用可变电阻器。精密的可变电阻器具易获得、价格低廉、重复性高、分辨率高、高频响应特性好、易使用等特点。但是可变电阻器也是模拟信号输出，需要A/D信号的转

换，增加系统复杂性，而且安装要求较高，带来了硬件设计的不便。

方案三：采用增量式光电旋转编码器

光电编码器是一种角度(角速度)检测装置，它将输入给轴的角度

量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲。旋转编码器具有体