基于自由擺的平板控制系統(tǒng)設計學士學位論文(編輯修改稿)
2025-07-24 21:03 本頁面
【文章內容簡介】 共 16 頁3方案二：該控制系統(tǒng)也是主要由擺架框架，檢測系統(tǒng)，控制驅動系統(tǒng)三大部分組成。與方案一所不同的是檢測系統(tǒng)：通過選用芬蘭VTI生產的加速度傳感器CA610C28HIA。它的輸出信號對電源供應非常敏感，不穩(wěn)定的電源電壓會影響器件輸出信號。一般，傾角傳感器的模擬輸出按比例度量，因此，無論什么樣的電源波動都可能直接引起模擬輸出的相應變化，比例度量的誤差也可能會引起最大為2％的測量誤差 [4]。該系統(tǒng)的信號采集部分結構框圖如圖12所示：傳感器信號處理A D C 轉換控制器角度信號 小信號 整形后信號 數(shù)字信號 圖12 信號采集部分結構框圖傳統(tǒng)的加速度傳感器一般為模擬信號輸出，是需要讀電壓值的，用戶需要通過A/D采集后，將模擬信號轉換成數(shù)字信號，再進行數(shù)據分析和處理。MMA7455L提供數(shù)字接口（IIC和SPI），用戶直接讀MMA7455L的寄存器得到相應的輸出數(shù)字量，不僅速度快，且方便用戶數(shù)據處理，在一些沒有A/D接口的單片機上也照常使用。I2C總線通訊可以使用MCU硬件I2C單元，也可以使用I/O口模擬I2C通訊，對單片機的支持更加廣泛 [5]。因此，我們選擇第一種方案?；谧杂蓴[的平板控制系統(tǒng)設計作者：顏芳 第 頁 共 16 頁4第 3 章 理論分析與設計 平板狀態(tài)測量方法 硬幣的受力分析：通過對平板上硬幣的理論受力分析可得：當硬幣處在最高點和最低點的位置時，硬幣的加速度方向為豎直方向，平板處于水平位置。在其他位置時，通過平板轉動向硬幣提供所需的向心力，使得硬幣的滑動摩擦力始終小于其最大靜摩擦力，確保硬幣與平板無相對位移。通過對硬幣進行多次試驗分析可得：當平板在做自由擺運動時，始終保持平板與擺桿垂直，平板上的硬幣就不會掉落，這與理論并不違背。當平板在最高點垂直擺桿時，硬幣的滑動摩擦力雖大于其最大靜摩擦力，但時間相對較短，可以瞬間給硬幣提供所需向心力，使得硬幣與平板無相對運動 [6]。 設硬幣的質量為 m,重力加速度為 g,擺桿與豎直方向的夾角為 α，硬幣所受向心力為 F向，硬幣所受切向力為 F切，硬幣所受支持力為 FN。由受力分析圖 31可得：圖 31 硬幣受力分析圖根據圖 3，由受力分析得： F 切=mgsinα F 向=FNmgcosα ?基于自由擺的平板控制系統(tǒng)設計作者：顏芳 第 頁 共 16 頁5 平板狀態(tài)分析： 對于基本要求（1）的狀態(tài)分析：由理論分析可知擺桿的擺動周期與擺桿偏離豎直位置的角度無關，因此在一定角度下，可以調整步進電機轉動速度，使平板的轉動周期與擺桿的擺動周期相同。對于基本要求（2）（3）的狀態(tài)分析：在步進電機位置處設一接觸開關和按鍵開關，當擺桿到達一定角度時，操作者打開按鍵開關，此時開啟異步電機轉動，異步電機迅速轉動。當碰到接觸開關時，接觸開關將信號反饋給單片機，從而使異步電機停止轉動 [7]。與此同時步進電機帶動平板迅速達到與擺桿垂直的狀態(tài)。整個過程如圖 32所示：采集數(shù)據 單片機步進電機平板圖 32 平板狀態(tài)控制框圖基于自由擺的平板控制系統(tǒng)設計作者：顏芳 第 頁 共 16 頁6第 4 章 電路與程序設計 電路設計 一般直流穩(wěn)壓電源主要由四部分組成：電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路。如圖41所示：圖41 直流穩(wěn)壓源框圖1．電源變壓器：將220V 的交流電壓變?yōu)檎麟娐沸枰慕涣麟妷?，一般次? 電壓 u2較小。2．整流電路：將經變壓器變壓后的次級交流電壓 u2變成單向的直流電壓 u3，它包含許多諧波分量和直流成份。3．濾波電路：將脈動電壓 u3中的諧波分量濾除，并輸出較為平滑的直流電壓 u4。該電壓比較不穩(wěn)定，往往會隨電網電壓和負載電流的變化而變化。4．穩(wěn)壓電路：它能在不穩(wěn)定的電網電壓和負載電流變化的同時，保持輸出電壓的穩(wěn)定。它是設計直流穩(wěn)壓電源時重要的一部分，決定著直流穩(wěn)壓電源的重要性能指標。5．電源模塊為整個系統(tǒng)提供電源，可以提供3V、5V 和12V 的電壓。不但可以給單片機供電，而且也為角度傳感器的提供了電壓選擇 [8]。如圖42所示：177。%YWbamHXZB9基于自由擺的平板控制系統(tǒng)設計作者：顏芳 第 頁 共 16 頁7圖 42 電源原理圖 STC12C5A60S2 最小系統(tǒng)STC12C5A60S2最小系統(tǒng)包括復位電路，晶振電路，電源和接地 [9]。具體電路如圖 43所示。最小系統(tǒng)的應用特點： I/O口線。 [10]。1234567891011121314151617181920 2122232425262728293031323334353637383940CLKOUT2/ADC0/ADC1/ECI/ADC2/CCP0/ADC3/SS/CCP1/ADC4/MOSI/ADC5/MOSI/ADC6/SCLK/ADC7/RST/RXD/TXD/INTO/INT1/CLKOUTO/TO/CLKOUT1/T1/WR/ED/XTAL2XTAL1GNDVccEX_LVD/ALE/NA/C6104 C510uFVinPower On SW1源源源源/5V/3VC110uF116R1A10KC247pFC347pF圖 43 單片機最小系統(tǒng) 單元設計 主控板單元STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機是宏晶科技公司生產的單時鐘的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代 C51單片機，其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但運行速度快 812倍。內部集成 MAX810專用復位電路, 8路高速 10位A/D轉換(250K/S), 2 路 PWM,針對電機控制，強干擾場合。它具有以下特點：
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