2011年全国大学生电子设计竞赛控制类——基于自由摆的平板控制系统【国二奖】
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文中一些是使用的图片，若看起来不美观的话，可以去百度文库下载，http://wenku.baidu.com/view/618c20670b1c59eef8c7b4a3.html
一、总体方案设计
1.主控系统选择
方案一：使用传统51单片机作为主控制器，价格低廉，但其运算速度慢，片内资源少，存储容量小，难以实现复杂的算法。
方案二：使用FPGA，CPLD等大规模可编程逻辑控制器件，其时钟频率很高，运算速度很快，但不适合于该题目。
方案三：使用基于ARM Cortex-M3内核的EasyARM1138单片机，它有8通道10位ADC，使用方便且低功耗。
方案比较：综合比较，选择方案三。
2.角度测量
方案一：使用双轴倾角传感器SCA103T-D04，测量范围为±15度，可适用于垂直方向的各种角度的测量。
方案二：使用电位器作为角度传感器，由于不同角度输出的电阻值不同，通过AD采样电阻两端电压，计算得到角度。
方案三：使用Angtron-RE-38-V-Lite旋转编码器，角度测量范围为0~360°，根据不同角度，可直接输出不同的电压值，线性度好。
方案比较：对于方案一，虽然SCA103T精度较高，但它是基于加速度原理进行测量，使用SCA103T进行倾角检测时，应保证被测设备匀速运动，否则会引进误差，而在自由摆系统中，平板不是匀速运动。虽然可以采用峰值滤波和一阶惯性滤波相结合的方式通过软件编程进行处理，但较繁琐。对于方案二，对于一般的电位器，线性度较差，而对于线性度较好的电位器，如22HP-10等，价格较高。对于方案三，使用该旋转编码器，可以直接对输出电压进行AD采样，计算得出角度值，使用方便。综合考虑，选择方案三测量自由摆运动过程中的摆角。
3.电机选择
方案一：使用伺服电机作为执行元件，运行精确，能高速制动，惯量小，适合闭环控制。
方案二：使用步进电机作为执行元件，由于步进电机是采用脉冲驱动，精度较高，适合开环控制。
方案比较：对于方案一，虽然伺服电机性能良好，但价格较高。对于方案二，步进电机可以通过16细分可以减弱低频振动，控制方便，开环性能良好，可以适用于该设计。综合考虑，选择方案二。
4.松手检测
方案一：软件检测，用手推动摆杆至一定角度，通过AD采样测得，若程序检测到开始减小，说明推动摆杆的手已经松开，步进电机可以开始调整平板角度。
方案二：硬件检测，使用红外收发管，若检测到下降沿，说明推动摆杆的手已经离开，程序可以开始相应的控制。
方案比较：对于方案一，针对自由摆进行运动分析，易知自由摆在较高点处速度较小，导致AD采样检测到减小时，距离手松开已经过去了一段时间，通过程序补偿该延迟的算法较麻烦，较难实现。对于方案二，经硬件检测，延迟很小，步进电机可以及时做出反应，且实现较方便。综合考虑，选择方案二。
5.系统结构
图1 系统结构图
使用旋转编码器作为角度传感器，经AD采样，读取当前自由摆的角度值。使用红外收发管检测是否松开了摆杆，若检测到高电平，说明手已经松开，触发中断，此时的AD采样值即为起始摆角。采用前馈控制系统，通过控制器控制步进电机的运动，使其运动达到要求。同时，可以在LCD显示一些测量数据和功能列表，供用户选择，同时LED灯在一些功能中也会点亮。
二、理论分析与计算
1.平板状态测量
初始时，平板与摆杆垂直，如图3所示。逆时针移动摆杆，由旋转编码器可以测得摆杆与垂直的角度，由按键逐步调整平板角度，由控制器予以记录，平板顺时针转动了，此时平板与水平面夹角为。
2.自由摆运动周期分析
对于理想单摆，当角很小时，单摆的周期，但该设计中，起始摆角范围为30~60°，该公式不再适用，故采用经验建模，求取拟合曲线。
分别选取作为起始摆角，用示波器记录自由摆运动5个周期所用的时间，如表1所示：
表1
|
起始摆角（°） |
20° |
30° |
40° |
45° |
50° |
60° |
|
时间（s） |
9.45 |
9.60 |
9.68 |
9.68 |
9.73 |
9.92 |
使用matlab进行拟合，如图2所示：
图2 不同起始摆角下自由摆运动5周所用时间
拟合曲线为：
y=0.0105*x+9.248，其中x为起始摆角，y为自由摆运动5个周期所用时间。
3.自由摆运动过程分析
自由摆AB从自然下垂状态逆时针摆动后到达AB’处，如图3所示。
假设平板与水平面夹角为，做辅助线，
对平板上的一枚硬币进行受力分析，易知，由于硬币摩擦系数极小，摩擦力忽略不计。
由于整个平板沿CD方向的加速度为，为了使硬币不从平板上滑离，硬币沿CD方向的加速度
联立以上各式，可知
即自由摆在运动过程中，平板应与摆杆始终保持垂直。
4.激光照射模块
AB为自由摆，长度为100cm，若逆时针旋转后位置为AB’，如图4所示。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，计算如下：
四、测试方案与测试结果
1.测试方案
1.1测试仪器：
RIGOL DS1102E 示波器，JWY302x2S 可调稳压电源，VICTOR VC9801A万用表
1.2调试方法：
1.2.1对于基本功能1，分别针对起始摆角，读取自由摆运动5个周期后步进电机偏差的绝对值，结果如表2所示。
1.2.2对于基本功能2，分别针对起始摆角，读取自由摆运动5个周期后，硬币滑离中心点的距离，结果如表3所示。
1.2.3对于基本功能3，分别针对起始摆角，读取自由摆运动5个周期后，仍在平板上的硬币数，以及有效的硬币数（注：有效硬币数=平板上硬币数-非保持叠放状态硬币数），结果如表4所示。
1.2.4对于扩展功能1，分别针对为摆角，测取偏差绝对值，结果如表5所示。
1.2.5对于扩展功能2，测取3次摆动时的平均偏差绝对值，结果如表6所示。
2.测试结果
表2 基本功能1
|
起始摆角（°） |
30 |
40 |
50 |
60 |
|
偏差绝对值（°） |
23 |
7 |
15 |
32 |
表3 基本功能2
|
起始摆角（°） |
30 |
35 |
40 |
45 |
|
滑离中心点的距离（cm） |
0 |
0.2 |
0.5 |
0.75 |
表4 基本功能3
|
起始摆角（°） |
45 |
50 |
55 |
60 |
|
平板上硬币数 |
8 |
8 |
4 |
1 |
|
有效硬币数 |
6 |
6 |
2 |
1 |
表5 扩展功能1
|
起始摆角（°） |
-50 |
-40 |
-30 |
30 |
40 |
50 |
|
偏差绝对值（cm） |
1 |
0.5 |
0.8 |
0.2 |
0.5 |
0.5 |
表6 扩展功能2
|
次数 |
1 |
2 |
3 |
|
平均偏差绝对值（cm） |
5 |
3 |
4 |
3.结果分析
|
基本功能1 |
<35 |
扩展功能1 |
<1cm |
|
基本功能2 |
<1cm |
扩展功能2 |
平均偏差4cm |
|
基本功能3 |
平均有效硬币4个 |
|
|
参考文献：
[1] 郑家龙等.集成电子技术基础教程，北京：高等教育出版社，2008.6
[2] 王树青.戴连奎.于玲.过程控制工程，北京：化学工业出版社，2009.8
[3] 何钦铭.颜晖.C程序语言设计，北京：高等教育出版社，2008,1
[4] 王汀.微处理机原理与接口技术，北京：化学工业出版社，2006,8
[5] 吴泽华.陈治中.黄正东.大学物理，杭州：浙江大学出版社，2006.8