基于單擺平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【畢業(yè)論文】

1、<p>　　本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))</p><p>　題 目：基于單擺平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　學(xué) 院：</p><p>　學(xué)生姓名：</p><p>　專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化</p><p>　班 級(jí)：</p><p>　指導(dǎo)教師：</p&g

2、t;<p>　起止日期：</p><p>　　基于單擺平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)使用飛思卡爾最小系統(tǒng)MC9S12XS128為核心。采用精密線性角度傳感器對(duì)每一時(shí)刻的單擺的擺角進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，單擺來(lái)回?cái)[動(dòng)會(huì)帶動(dòng)電位器轉(zhuǎn)動(dòng)，使電位器的有效阻值發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電位器反饋給單片機(jī)

3、的電壓發(fā)生變化，單片機(jī)根據(jù)這一變化量經(jīng)過(guò)內(nèi)部程序的分析處理，最后輸出一控制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，使電機(jī)根據(jù)這一信號(hào)轉(zhuǎn)過(guò)對(duì)應(yīng)的角度，控制水平板的位置，由于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度比較大，容易使裝置發(fā)生抖動(dòng)，為此必須對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分。將獲取的信息反饋給最小系統(tǒng)MC9S12XS128。MC9S12XS128將讀取到的信息進(jìn)行分析處理，發(fā)出相應(yīng)的指令對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制。為了提高步進(jìn)電機(jī)的角度細(xì)分精確度，所以采用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)芯片TB6560A

4、HQ，對(duì)最小系統(tǒng)輸出的信號(hào)細(xì)分并且對(duì)其電流衰減，使得步進(jìn)電機(jī)每進(jìn)一步轉(zhuǎn)過(guò)的角度細(xì)化到0.1°，使其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)十分平穩(wěn)，不至于出現(xiàn)大角度的抖動(dòng)，。經(jīng)過(guò)測(cè)試平臺(tái)的調(diào)節(jié)震動(dòng)大大降低，整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度都有一個(gè)較大的提高。 </p><p>　　關(guān)鍵詞： MC9S12XS128單片機(jī) ；角度傳感器；步進(jìn)電機(jī) ；信號(hào)細(xì)分器</p><p><b>　　ABSTRACT<

5、/b></p><p>　　This design using minimum system as the core MC9S12XS128 free scale. The Angle sensor precision linear to every moment of the pendulum swinging Angle for real-time monitoring, single pendulum

6、 swing back and forth can drive potentiometer rotation of the effective resistance change potentiometer, leading to the potentiometer feedback to the single chip microcomputer voltage change, SCM according to the variati

7、on of the internal process through analysis, finally outputs a signal to the motor drive </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章緒論7</b></p><p>　　1.1系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)總方案7

8、</p><p>　　1.2系統(tǒng)組成模塊方案8</p><p>　　1.2.1電機(jī)模塊8</p><p>　　1.2.2控制器模塊8</p><p>　　1.2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案9</p><p>　　1.2.4電源模塊9</p><p>　　1.2.5角度傳感器模塊9</p&g

9、t;<p>　　第2章系統(tǒng)硬件單元的電路設(shè)計(jì)10</p><p>　　2.1 控制器單元電路設(shè)計(jì)10</p><p>　　2.2 電源單元電路設(shè)計(jì)11</p><p>　　2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)12</p><p>　　2.4角度傳感器模塊15</p><p>　　2.5液晶顯示模塊16&

10、lt;/p><p>　　第3章理論分析與計(jì)算18</p><p>　　3.1建立模型與控制方法18</p><p>　　3.2算法分析18</p><p>　　3.3角度變化產(chǎn)生的誤差：19</p><p>　　3.4測(cè)試結(jié)果與分析19</p><p>　　第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)22&l

11、t;/p><p>　　4. 1 程序功能描述與設(shè)計(jì)思路22</p><p>　　4. 1.1、程序功能描述22</p><p>　　4.1.2、程序設(shè)計(jì)思路22</p><p>　　4.2主程序流程圖22</p><p>　　第5章軟件開(kāi)發(fā)工具、制作調(diào)試過(guò)程24</p><p>　　5.

12、1軟件開(kāi)發(fā)工具24</p><p>　　5.2 PCB板制作24</p><p>　　5.3元器件焊接26</p><p>　　5.4電路的調(diào)試26</p><p>　　5.5硬件結(jié)構(gòu)組裝26</p><p>　　5.6軟件系統(tǒng)編寫(xiě)調(diào)試26</p><p><b>　　結(jié)論

13、：27</b></p><p><b>　　鳴謝：27</b></p><p><b>　　[參考文獻(xiàn)]28</b></p><p><b>　　附錄A實(shí)物圖29</b></p><p>　　附錄B系統(tǒng)程序：31</p><p>&

14、lt;b>　　前言</b></p><p>　　一、綜述本課題國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，說(shuō)明選題的依據(jù)和意義</p><p><b>　　1．國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)</b></p><p>　　自動(dòng)平衡控制系統(tǒng),主要特點(diǎn)是系統(tǒng)在垂直方向的角度分析了水平位移或?yàn)榭刂茖?duì)象,使其控制在一定的范圍內(nèi)。在實(shí)際中所見(jiàn)到的重心在未來(lái)控制系統(tǒng)、保護(hù)是一種自平衡

15、控制系統(tǒng)。本文提出的平衡控制系統(tǒng)有以下主要特點(diǎn):與傳統(tǒng)系統(tǒng)的平衡、負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)和變化;負(fù)荷本身具有生理調(diào)節(jié)功能;系統(tǒng)不但保持靜力平衡,保持動(dòng)態(tài)平衡運(yùn)動(dòng)。這些特性最終決定了復(fù)雜的控制系統(tǒng),系統(tǒng)的穩(wěn)定性來(lái)解決考慮各種控制理論和控制方法,特別是應(yīng)用先進(jìn)的控制理論，自動(dòng)平衡的研究成果是將為復(fù)雜的非線性和不確定性系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制提供一個(gè)技術(shù)支持，同時(shí)給于其它的研究有重要的參考作用，如兩足行走機(jī)器人和火箭垂直度等自平衡控制系統(tǒng)。自動(dòng)平衡的主要研究方

16、向包括：系統(tǒng)力學(xué)分析和建模、控制理論和應(yīng)用、控制技術(shù)和實(shí)施?？梢詮淖詣?dòng)平衡小車運(yùn)動(dòng)的情況進(jìn)行分析，在建立空間坐標(biāo)系統(tǒng)，理論應(yīng)用平衡狀態(tài)，最終為系統(tǒng)模型的控制理論和控制方法有了很好的基礎(chǔ)。狀態(tài)反饋控制器是在平衡點(diǎn)附近對(duì)系統(tǒng)參數(shù)和模型的分析并計(jì)算證明是可控的，并運(yùn)用線性控制理論和系統(tǒng)仿真得到的一組狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。在證明系統(tǒng)不確定性和非線性時(shí)可以用參數(shù)模糊整定PID控制器，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)通過(guò)參</p><

17、p>　　對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， 穩(wěn)定性是其重要特性，也是系統(tǒng)能夠正常工作的首要條件。粗略地說(shuō)，穩(wěn)定性是指，由于擾動(dòng)的作用使系統(tǒng)的工作狀態(tài)發(fā)生變化，若經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后能恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)或其附近的容許鄰域內(nèi)，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的；若隨著時(shí)間的推移偏離原來(lái)的平衡狀態(tài)愈來(lái)愈厲害，則稱系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。不穩(wěn)定的系統(tǒng)是沒(méi)有什么工程價(jià)值的。</p><p>　　單片機(jī)方面：中國(guó)使用單片機(jī)的歷史只有短短的30年，在初始的短短

18、五年時(shí)間里 發(fā)展極為迅速。單片機(jī)是靠程序的，并且可以修改。通過(guò)不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其特別的獨(dú)特的一些功能,這是另一些設(shè)備需要費(fèi)大量的時(shí)間去做的,有些是再怎么努力也很難做。一個(gè)不太復(fù)雜的功能如果用美國(guó)50年代期間開(kāi)發(fā)的74系列,或60年代的CD4000系列這些純硬件來(lái)解決的話,電路就會(huì)是一個(gè)很大的PCB板。但如果是用美國(guó)在70年代成功進(jìn)入市場(chǎng)系列單片機(jī),結(jié)果將是一個(gè)很大的區(qū)別。只因?yàn)閱纹瑱C(jī)的通過(guò)你編寫(xiě)的程序可以實(shí)現(xiàn)高智能，高效率，

19、以及高可靠性。之所以現(xiàn)在占據(jù)軟件主導(dǎo)的還是最低級(jí)的匯編語(yǔ)言，是因?yàn)閱纹瑱C(jī)對(duì)于成本的要求很嚴(yán)格，單片機(jī)不想硬盤(pán)那樣有很大的存儲(chǔ)空間，也沒(méi)有家庭電腦那樣的CPU，單片機(jī)只是二進(jìn)制碼以上的最低級(jí)語(yǔ)言。一個(gè)可視化高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的小程序里面即使只有一個(gè)按鈕，也會(huì)達(dá)到幾十K的尺寸。二十世紀(jì)跨越了三個(gè)“電”的時(shí)代，即電氣時(shí)代、電子時(shí)代和電腦時(shí)代。有一類電腦是由顯示器、主機(jī)、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等器件等組成，這就是我們常指的個(gè)人計(jì)算機(jī)。還有一種我們都不是很懂的計(jì)算

20、機(jī)，稱為微控制器，就是把智能語(yǔ)言讀寫(xiě)在機(jī)械的單片機(jī)上。通俗</p><p>　　2.選題的依據(jù)和意義</p><p>　　（1）本課題的設(shè)計(jì)，可以訓(xùn)練我綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的的能力，可以提高我科研和工程實(shí)踐技能水平。同時(shí)還可以提高我的運(yùn)算、識(shí)圖與制圖、程序編寫(xiě)、實(shí)驗(yàn)與調(diào)試、計(jì)算機(jī)信息資料檢索、文字表達(dá)和自我組織等能力。 </p><p>　?。?）本課題的設(shè)

21、計(jì)，可以培養(yǎng)我的獨(dú)立思考和獨(dú)立工作的能力，同時(shí)進(jìn)一步鞏固和擴(kuò)展所學(xué)的專業(yè)知識(shí)面，使我在今后的工作中能夠較熟練運(yùn)用科學(xué)的方法，消化并運(yùn)用新的科研成果和新技術(shù)。</p><p>　　（3）本課題的設(shè)計(jì)成品有較好的性能，可以在許多領(lǐng)域廣泛使用。經(jīng)過(guò)本課題的設(shè)計(jì)制作發(fā)現(xiàn)它在實(shí)際運(yùn)用中的缺點(diǎn)和不足，在某種意義上說(shuō)能促進(jìn)這些領(lǐng)域的飛速發(fā)展。</p><p><b>　　緒論</b>

22、;</p><p>　　1.1系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)總方案</p><p>　　本設(shè)計(jì)要求制作附著在自由擺上的平板控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)擺桿繞著轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)（小于等于60°）該平臺(tái)能夠保持穩(wěn)定，而且還要使平臺(tái)上面的硬幣盡量不滑落。根據(jù)題意，確定了系統(tǒng)組成的基本框圖如圖1-1所示</p><p>　　圖1-1系統(tǒng)組成基本框圖</p><p>　　本系

23、統(tǒng)是由控制器模塊、電機(jī)模塊、角度檢測(cè)模塊、顯示模塊、電源模塊等組成。如圖1-2是一個(gè)單擺示意圖。假設(shè)外界附加一擾動(dòng)使該系統(tǒng)單擺由原平衡點(diǎn)“ a ”偏離到點(diǎn)“ b ”。當(dāng)外力去掉后，擺在重力作用下，由點(diǎn)“ b ”回到點(diǎn)“ a ”，并由于慣性作用，繼續(xù)向前擺動(dòng)，直到到達(dá)點(diǎn)“ c ”。隨后，在阻尼作用下，擺圍繞“ a ”點(diǎn)作衰減振蕩，直到所有能量耗盡，擺最終停留在原平衡點(diǎn)“ a ”。就平衡點(diǎn)“ a ”而言，在干擾作用下，擺發(fā)生了偏離，但擾動(dòng)消

24、失后，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，擺能恢復(fù)到原來(lái)的平衡點(diǎn)。這樣的平衡點(diǎn)“ a ”稱為穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。</p><p>　　如果讓擺處于另一平衡點(diǎn)“ d ”，如圖1-2（ b ）所示。顯然在擾動(dòng)作用下，擺會(huì)離開(kāi)平衡點(diǎn)“ d ”，這時(shí)，即使擾動(dòng)消失，無(wú)論經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間，擺也不會(huì)回到原平衡點(diǎn)“ d ”。這種平衡點(diǎn)稱為不穩(wěn)定平衡點(diǎn)。</p><p>　　單擺的這種穩(wěn)定概念（即無(wú)論擾動(dòng)產(chǎn)生的初始偏差多大，只要擾動(dòng)消

25、失，系統(tǒng)最終總能回到原平衡點(diǎn)），可以推廣至線性系統(tǒng)。而對(duì)于用非線性微分方程描述的非線性系統(tǒng)，當(dāng)擾動(dòng)產(chǎn)生的初始偏差較小時(shí)，擾動(dòng)消失后，系統(tǒng)可能能回到某一穩(wěn)定的平衡點(diǎn)；但當(dāng)擾動(dòng)造成的初始偏差超過(guò)一定范圍，即使擾動(dòng)消失，無(wú)論經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間，系統(tǒng)也未必能回到原來(lái)穩(wěn)定的平衡點(diǎn)上。也就是說(shuō)，線性系統(tǒng)的小范圍穩(wěn)定和大范圍穩(wěn)定是等價(jià)的；而非線性系統(tǒng)則不然。小范圍穩(wěn)定的非線性系統(tǒng)不一定大范圍穩(wěn)定。</p><p>　　1.2系統(tǒng)組成

26、模塊方案</p><p><b>　　1.2.1電機(jī)模塊</b></p><p>　　電機(jī)模塊的選擇是整個(gè)系統(tǒng)的核心所在，按照設(shè)計(jì)的要求，電機(jī)需要對(duì)平板處在不同位置時(shí)進(jìn)行相應(yīng)角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，這需要很高的精確度，并且平板需要很高的制動(dòng)性。</p><p>　　方案一：采用普通直流電機(jī)。直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性,調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣；對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片

27、要求低，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單而且工作穩(wěn)定，但是直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系受其負(fù)載影響很大，直流電機(jī)容易產(chǎn)生噪聲，干擾電位器的電壓采樣，制精度上遜于步進(jìn)電機(jī)。該設(shè)計(jì)不采用該方案。</p><p>　　方案二：采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是具有快速啟停能力。如果負(fù)載不超過(guò)步進(jìn)電機(jī)所能提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能夠立即使步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)或反轉(zhuǎn)。另一個(gè)顯著特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高。正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制靈活。相比直流電機(jī)的工作方式，步進(jìn)電機(jī)是一種

28、將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。我們根據(jù)題目的要求選用了兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，兩相步進(jìn)角一般為1.8°，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，我們將信號(hào)細(xì)分和電流衰減，使其步進(jìn)角達(dá)到了0.1°，能夠更好的運(yùn)用在此系統(tǒng)中。</p><p>　　1.2.2控制器模塊</p><p>　　方案一：采用CPLD（如EPM7128

29、LC84-15）作為核心運(yùn)算控制器件。CPLD具有速度快、編程容易、資源豐富、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，可利用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)開(kāi)發(fā)。但CPLD在控制上較單片機(jī)有較大的劣勢(shì)。而且開(kāi)發(fā)成本比單片機(jī)高。此外，該方案具有較大的局限性，如檢測(cè)部分就要占用可編程邏輯器件的大部分資源，造成資源的浪費(fèi)，而這一些對(duì)于相對(duì)較低檔次的單片機(jī)來(lái)說(shuō)都是很容易就能實(shí)現(xiàn)的。為了節(jié)約資源，綜合性價(jià)比，該設(shè)計(jì)不采用該方案。</p><p>　　方案二

30、：系統(tǒng)采用TI公司所生產(chǎn)的MSO430F5438單片機(jī)為主控制芯片，有比較豐富的資源，多個(gè)8位并行口其中有兩個(gè)中斷功能，內(nèi)部集成12位的ADC，強(qiáng)大的定時(shí)器，精密的比較器，大量的RAM和ROM，存儲(chǔ)容量大的程序。MSP430F5438單片機(jī)的最小系統(tǒng)板可以滿足大部分的系統(tǒng)要求，減小系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，提高系統(tǒng)測(cè)量精度，但我對(duì)此單片機(jī)不是很了解，所以不用此方案。</p><p>　　方案三：采用ATMEL公司的AT89C

31、51。51系列單片機(jī)軟件編程自由度大，可實(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制，技術(shù)方面也相對(duì)成熟。價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛，但是89C51需外接模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)滿足數(shù)據(jù)采樣的要求，硬件接口復(fù)雜，高速A/D與低速單片機(jī)之間速度的不匹配，給編程帶來(lái)一定的難題，也浪費(fèi)CPU資源。另外51 單片機(jī)需要仿真器來(lái)實(shí)現(xiàn)軟硬件調(diào)試，較為煩瑣。最重要的是其運(yùn)算速度比較慢，可能無(wú)法適應(yīng)該設(shè)計(jì)，所以該設(shè)計(jì)不采用該方案。</p><p>　　方案四：采用

32、MC9S12XS128微控制器作為控制模塊。MC9S12XS128系列產(chǎn)品滿足了對(duì)設(shè)計(jì)靈活性和平臺(tái)兼容性的需求，并在一系列電子平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了可升級(jí)性、硬件和軟件可重用性、以及兼容性。S12XS 系列可以經(jīng)濟(jì)而又兼容地?cái)U(kuò)展至帶XGate 協(xié)處理器的S12XE 系列單片機(jī)，從而削減了成本，并縮小了封裝。CPU最高總線速度40MHz ，具有64KB、128KB和256KB 閃存選項(xiàng)，均帶有錯(cuò)誤校正功能 ，帶有ECC 的4KB 至8KB Data

33、 Flash，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或程序存儲(chǔ) ，可配置8 、10或12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），轉(zhuǎn)換時(shí)間3μs ，帶有16-位計(jì)數(shù)器的、8-通道定時(shí)器 ，出色的EMC及運(yùn)行和停止省電模式 。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)需要并結(jié)合我對(duì)MC9S12XS128微控制器的運(yùn)用相對(duì)熟練，考慮性價(jià)比，同時(shí)，MC9S12XS128完全能夠完成本次設(shè)計(jì)的要求，所以我們選擇了該方案。</p><p>　　1.2.3

34、電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案</p><p>　　方案一：采用雙極性晶體管 ——D772、D882構(gòu)成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制作，但其壓降比較大，而且功耗也很大，而且該方案還不可以對(duì)其信號(hào)細(xì)分和電流衰減，達(dá)到減震的目的。所以本設(shè)計(jì)不采用該方案。</p><p>　　方案二：東芝公司的TB6560AHQ二項(xiàng)步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片，與早期推出的TB6560HQ芯片相比，其性能有較高的提高，輸出電流

35、可達(dá)3.5A，采用該芯片的驅(qū)動(dòng)板在電路上，結(jié)構(gòu)上使用了可靠性設(shè)計(jì)，在普通散熱方式的情況下可穩(wěn)定的工作在3A電流。完全可以驅(qū)動(dòng)本設(shè)計(jì)中的步進(jìn)電機(jī)。同時(shí)該方案可以將信號(hào)細(xì)分和電流衰減，實(shí)現(xiàn)0.1°步距，使得平臺(tái)控制十分平穩(wěn)。所以，采用該方案。</p><p><b>　　1.2.4電源模塊</b></p><p>　　方案一：采用穩(wěn)壓芯片LM7805提供電源，L

36、M7805比較便宜并且比較穩(wěn)定，單片機(jī)的電源由LM7805提供比較穩(wěn)定。</p><p>　　方案二：采用集成多路輸出電源，一個(gè)集成塊能提供多個(gè)電路的電源，電壓穩(wěn)定。不過(guò)集成多路輸出電源價(jià)格比較貴，再說(shuō)互相之間有干擾。</p><p>　　1.2.5角度傳感器模塊</p><p>　　角度傳感器在這個(gè)系統(tǒng)中也起到了舉足輕重的作用，反饋給控制模塊的信息的準(zhǔn)確度直接影響

37、到系統(tǒng)的精確性，以下我們提出了幾種方案。</p><p>　　方案一：三軸傳感器與WDY32Z-1角位移傳感器結(jié)合。WDY32Z-1角位移傳感器是根據(jù)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出端的電位會(huì)跟隨著改變，單片機(jī)根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換后的信息對(duì)角度進(jìn)行分析，靈敏度高。能夠一定程度上彌補(bǔ)機(jī)械結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定對(duì)三軸傳感器數(shù)據(jù)采集的影響。但是兩個(gè)角度傳感器數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，數(shù)據(jù)采集處理經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)誤。所以本設(shè)計(jì)不采用該方案。</p><p

38、>　　方案二：采用ADXL345三軸傳感器 ，ADXL345非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用。它可以在傾斜感測(cè)應(yīng)用中測(cè)量靜態(tài)重力加速度，還可以從運(yùn)動(dòng)或者振動(dòng)中生成動(dòng)態(tài)加速度。它的高分辨率（4mg/LSB）能夠分辨僅為0.25°的傾角變化，但是由于本設(shè)計(jì)機(jī)械強(qiáng)度不夠，影響三軸傳感器采集到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。所以本設(shè)計(jì)不采用該方案。</p><p>　　方案三：采用WDY32Z-1角位移傳感器。該傳感器采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定

39、性很強(qiáng)，完全能夠滿足本設(shè)計(jì)的要求。</p><p>　　根據(jù)以上比較，綜合低功耗、性價(jià)比，在本次設(shè)計(jì)上選用方案三。</p><p>　　系統(tǒng)硬件單元的電路設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 控制器單元電路設(shè)計(jì)</p><p>　　MC9S12XS128單片機(jī)的性能和參數(shù)：MC9S12XS128是一款針對(duì)汽車電子市場(chǎng)的高性能16位單片機(jī)，具有速度

40、快，成本低，功耗低等特點(diǎn)。特點(diǎn)：（1）總線速度高達(dá)40MHZ；（2）128KB程序Flash和8KB Data Flash,用于實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，均帶有錯(cuò)誤校正碼(ECC);（3）可配置8位，10位或12位ADC，3μs 的轉(zhuǎn)化時(shí)間；（4）內(nèi)嵌MSCAN模式用于CAN節(jié)點(diǎn)應(yīng)用，內(nèi)嵌支持LIN協(xié)議的增強(qiáng)型SCI模塊及SPI模塊；（5）4通道16位計(jì)數(shù)器；（6）出色的低功耗特性，帶有中斷喚醒功能的10，實(shí)現(xiàn)喚醒休眠系統(tǒng)的功能；（7）8通道

41、PWM，易于實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。</p><p>　　MC9S12XS128單片機(jī)系統(tǒng)原理如圖2-1所示</p><p>　　圖2-1的單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖</p><p><b>　　晶振器</b></p><p>　　單片機(jī)正常工作的保證，如果振蕩器不起振，系統(tǒng)將會(huì)不能工作；假如振蕩器運(yùn)行不規(guī)律，系統(tǒng)執(zhí)行程序的時(shí)候?qū)?huì)出現(xiàn)

42、時(shí)間上的誤差，這在通信中會(huì)體現(xiàn)的很明顯：電路將無(wú)法通信。它是由一個(gè)晶振和兩個(gè)瓷片電容組成的，x1和x2分別接在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2上，晶振和瓷片電容是沒(méi)有正負(fù)的，要注意兩個(gè)瓷片電容相連的那端一定要接地。</p><p>　　2．復(fù)位端與復(fù)位電路</p><p><b>　　復(fù)位電路圖</b></p><p>　　給單片機(jī)一個(gè)復(fù)位信號(hào)（

43、一個(gè)一定時(shí)間的低電平）使程序從頭開(kāi)始執(zhí)行；一般有兩個(gè)復(fù)位方式：上電復(fù)位，在系統(tǒng)一上電時(shí)利用電容兩端的電壓不能突變的原理給系統(tǒng)一個(gè)短時(shí)的低電平：手動(dòng)復(fù)位，同時(shí)按鈕接通低電平給系統(tǒng)復(fù)位，這時(shí)如果手按著一直不放，系統(tǒng)將一直復(fù)位，不能正常工作。這里用的電容是電解電容，是有正負(fù)的，如果接反了，它就會(huì)爆炸。</p><p>　　2.2 電源單元電路設(shè)計(jì)</p><p>　　LM7805構(gòu)成電源電路，7

44、805為3端正穩(wěn)壓電路，T0-220封裝，能提供多種固定的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣。內(nèi)含過(guò)流可達(dá)1A。雖說(shuō)是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。7805的實(shí)物圖如圖2-2所示</p><p>　　圖2-2 7805的實(shí)物</p><p>　　LM7805的電路圖如圖2-3所示</p><p>　　圖2-3 LM7805的電路</p>&l

45、t;p>　　C1和C2是輸入端和輸出端的濾波電容，并且如果當(dāng)輸出電流較大時(shí)，7805應(yīng)配上散熱器。</p><p>　　2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　由TB6560AHQ構(gòu)成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其中TB6560AHQ的芯片資料：TB6560AHQ是東芝公司主推的低功耗，高集成兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，配合簡(jiǎn)單的電路即可開(kāi)發(fā)高性能的驅(qū)動(dòng)電路。</p><

46、;p><b>　　特性：</b></p><p>　　(1) 雙全橋MOSFET驅(qū)動(dòng) (2) 耐壓40V (3) 電流3.5A (峰值) (4) 具有整步、1/2細(xì)分、1/8細(xì)分、1/16細(xì)分運(yùn)行方式可供選擇 (5) 內(nèi)置溫度保護(hù)及過(guò)流保護(hù) (7) 采用HZIP25封裝外 (8) 外圍電路簡(jiǎn)單</p><p><b>　　管腳說(shuō)明</b>&

47、lt;/p><p>　　TQ2:電機(jī)力矩控制器，既可以選擇工作電流，又可以在電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)作半流鎖定功能</p><p><b>　　TQ1：</b></p><p><b>　　CLK:輸入脈沖</b></p><p>　　ENABLE：使能端</p><p>　　RESET：上

48、電復(fù)位</p><p><b>　　地線</b></p><p>　　OSC：斬波頻率控制端：C=1000PF,f=44KHz;C=330PF，f=130KHz</p><p>　　VH：驅(qū)動(dòng)電壓小于40VDC</p><p><b>　　MB：電機(jī)繞組B相</b></p><p

49、><b>　　地線</b></p><p>　　RB：B相電流檢測(cè)端，須大于0.2Ω 0.2Ω/1w=2.5A 0.22Ω/1W=2.0A</p><p>　　0.3Ω/1W=1.5A 0.35Ω/1W=1.25A 0.47Ω/1W=1A</p><p>　　12、MB-：電機(jī)繞組B相</p><p>　　1

50、3、MA：電機(jī)繞組A相</p><p>　　14、RA：A相電流檢測(cè)端，須大于0.2Ω 0.2Ω/1W=2.5A 0.22Ω/1W=2.0A</p><p>　　0.3Ω/1W=1.5A 0.35Ω/1W=1.25A 0.47Ω/1W=1A</p><p><b>　　15、地線</b></p><p>　　1

51、6、MA-：電機(jī)繞組A相</p><p>　　17、VH：驅(qū)動(dòng)電壓小于40VDC</p><p>　　18、TSD：溫度保護(hù)，芯片溫度大于150℃自動(dòng)斷開(kāi)所有輸出</p><p>　　19、VCC：5V穩(wěn)壓電源</p><p>　　20、DIR：正反轉(zhuǎn)控制</p><p>　　21、M2：細(xì)分?jǐn)?shù)選擇端</p>

52、;<p>　　22、M1：細(xì)分?jǐn)?shù)選擇端</p><p>　　23、PFD2：衰減方式控制端</p><p>　　24、PFD1：衰減方式控制端</p><p>　　三、TB6560AHQ的優(yōu)勢(shì)：</p><p>　　（1）支持各種步進(jìn)電機(jī)選型：客戶可選擇力矩稍大的的混合式或永磁式步進(jìn)電機(jī)，使電機(jī)工作在最大轉(zhuǎn)矩的百分之30至50之

53、間，電機(jī)成本幾乎不變；芯片提供大電流設(shè)置和多檔電流衰減模式，支持相同動(dòng)力指標(biāo)下各種不同參數(shù)的步進(jìn)電機(jī)。</p><p>　?。?）電機(jī)振動(dòng)小噪音低：由于TB6560AHQ芯片芯片自帶16細(xì)分功能，能夠滿足每分鐘從幾十到近千轉(zhuǎn)的應(yīng)用要求，且自動(dòng)產(chǎn)生純正的正弦波控制電流，與其它高集成度芯片相比，在相同高轉(zhuǎn)速下力矩不但不會(huì)下降，反而有所增加；由于TB6560AHQ芯片可承受峰值40V的驅(qū)動(dòng)電壓、峰值3.5A的電流，為電

54、機(jī)在大力矩、高轉(zhuǎn)速下持續(xù)運(yùn)行提供了的技術(shù)保障。</p><p>　?。?）嵌入式驅(qū)動(dòng)器體積小巧易散熱：大電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，芯片的散熱面便于外連散熱器，也可以直接連接在用戶原有控制器金屬殼體上，嵌入式驅(qū)動(dòng)器體積小巧、易于散熱。</p><p>　　TB6560AHQ構(gòu)成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的實(shí)物圖</p><p>　　基本功能1、 全雙橋MOSFET驅(qū)動(dòng)，耐壓40V，驅(qū)動(dòng)電流額

55、定3A，峰值3.5A，內(nèi)置溫度保護(hù)及過(guò)流保護(hù)功能。 2、 輸出標(biāo)準(zhǔn)的三軸驅(qū)動(dòng)，并有第四軸擴(kuò)展接口，方便用戶自由擴(kuò)展第四軸。 3、 配有15針手控接口，可以方便的連接手控手柄。 4、 自動(dòng)半流控制功能，在無(wú)驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)電機(jī)半流鎖定，可有效保護(hù)步進(jìn)電機(jī)，節(jié)省電能，延長(zhǎng)步進(jìn)電機(jī)使用壽命。 5、 四檔細(xì)分設(shè)置：整步、1/2、1/8、1/16，三個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)可分別設(shè)定三個(gè)軸的細(xì)分步數(shù)。 </p><p>　　6、 限位

56、擴(kuò)展接口，可以連接限位開(kāi)關(guān)，在每個(gè)軸到達(dá)限位位置時(shí)自動(dòng)急停，使您能放心使用而不必?fù)?dān)心損壞雕刻機(jī)。</p><p>　　7、 主軸控制接口，可控制主軸繼電器的開(kāi)合，從而控制主軸的啟停。 8、 單電源輸入，只需輸入一組12~40V供電電源就可工作，板上集成有5V電源轉(zhuǎn)換電路。 特殊配置</p><p>　　1、 電腦并口信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力弱，輸出電平不穩(wěn)定，且不同的主板輸出的高電平電壓也不統(tǒng)一。

57、本驅(qū)動(dòng)板有74HC14芯片對(duì)并口信號(hào)整形，使輸出電平統(tǒng)一并提高驅(qū)動(dòng)能力，避免步進(jìn)電機(jī)失步、不響應(yīng)等情況的發(fā)生。 2 、電腦并口和驅(qū)動(dòng)電源之間有光耦隔離，防止驅(qū)動(dòng)電源流入電腦損壞電腦主板、CPU、硬盤(pán)等。 3、 黑色正品超大散熱片，可有效解決主芯片的發(fā)熱問(wèn)題。 4、 有極性電容除三個(gè)大容量的外，其余全部用鉭電容，保證穩(wěn)定的性能和使用壽命。 </p><p><b>　　接口及其定義：</

58、b></p><p>　　1、并口 控制的25個(gè)腳定義如下： </p><p>　　PIN1： CKE E軸脈沖 PIN2： CKA A軸脈沖 PIN3： CWA A軸方向 PIN4： CKB B軸脈沖 PIN5： CWB B軸方向 PIN6： CKC C軸脈沖 PIN7： CWC C軸方向 PIN8： 空

59、PIN9： 空 PIN10： DIN1 限位1 PIN11： DIN2 限位2 PIN12： DIN3 限位3 PIN13： DIN4 限位4 PIN14： CWE E軸方向 PIN15： 空 PIN16： EN 所有軸使能 PIN17： RLY 繼電器控制 PIN18~25： GND 接地 </p><p>　　2、手控1

60、~PIN15定義如下 </p><p>　　PIN1： CKA A軸脈沖 </p><p>　　PIN2： CWA A軸方向 </p><p>　　PIN3： CKB B脈沖 </p><p>　　PIN4： CWB B方向 </p><p>　　PIN5： CKC C軸脈沖 &

61、lt;/p><p>　　PIN6： CWC C軸方向 </p><p>　　PIN7~8： 空 </p><p>　　PIN9： CKE E軸脈沖 </p><p>　　PIN10： CWE E軸方向 </p><p>　　PIN11： EN 使能 </p><p>

62、;　　PIN12： MOTO 電機(jī)控制 </p><p>　　PIN13： VCC 電源正 </p><p>　　PIN14： 空 </p><p>　　PIN15： GND 地 </p><p>　　3、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源請(qǐng)接12~40V 10A以上，板上標(biāo)有電源正負(fù)極。 </p><p>

63、;　　4、第四軸擴(kuò)展接口，從上到下定義為：EN、CW、CK、VCC、GND、主軸繼電器控制、VCC。 </p><p>　　5、限位接口定義：5腳插針靠近手控接口為1腳，遠(yuǎn)離分別為2~5腳。其中1腳為GND，2~5腳分別對(duì)應(yīng)并口的13、12、11、10。 </p><p>　　細(xì)分設(shè)置：撥碼開(kāi)關(guān)的1/2： ON/ON 整步、 ON/OF 1/2、 OF/ON 1/16、 OF

64、/OF 1/8。 </p><p>　　衰減方式設(shè)置：撥碼開(kāi)關(guān)的3/4： ON/ON 快衰減、ON/OFF 25%快衰減、OFF/ON 50%快衰減、OFF/OFF 慢衰減。 </p><p>　　2.4角度傳感器模塊</p><p>　　采用WDY32Z-1角位移傳感器，角位移傳感器的介紹。</p><p>　　角位移傳感器原理：采

65、用非接觸式設(shè)計(jì)的一種位移傳感器，跟其它的常用傳感器比較下提高了設(shè)備長(zhǎng)期使用的可靠性，在不使用滑環(huán)、葉片接觸式游標(biāo)、電刷等易磨損的活動(dòng)部件下通過(guò)自身的獨(dú)特設(shè)計(jì)依然可以保證測(cè)量精度。 </p><p>　　角位移傳感器特點(diǎn)： 該傳感器采用特殊形狀的轉(zhuǎn)子和線繞線圈，模擬線性可變差動(dòng)傳感器（LVDT）的線性位移，有較高的可靠性和性能，轉(zhuǎn)子軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生線性輸出信號(hào)，圍繞出廠預(yù)置的零位移動(dòng)±60（總共120）度

66、。 此輸出信號(hào)的相位指示離開(kāi)零位的位移方向。轉(zhuǎn)子的非接觸式電磁耦合使產(chǎn)品具有無(wú)限的分辨率，即絕對(duì)測(cè)量精度可達(dá)到零點(diǎn)幾度。 </p><p><b>　　主要技術(shù)參數(shù)： </b></p><p>　　1.旋轉(zhuǎn)位移，工作溫度范圍大，自帶信號(hào)調(diào)節(jié) </p><p>　　2.免接觸型傳感器，適應(yīng)不良環(huán)境（振動(dòng)、沖擊、潮濕、鹽霧等，出色的溫度穩(wěn)定性） &

67、lt;/p><p>　　3.線性（100%行程）：0.25~0.5 </p><p>　　4.多種范圍、直流輸出 </p><p><b>　　其實(shí)物圖如</b></p><p><b>　　其實(shí)物圖如</b></p><p><b>　　2.5液晶顯示模塊</b

68、></p><p>　　液晶顯示采用LCD1602來(lái)顯示，LCD1602液晶也叫1602字符型液晶它是一種專門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊它有若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符。每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔每行之間也有間隔起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒茱@示圖形。</p><p><b>　　其實(shí)物的管腳圖

69、</b></p><p><b>　　其實(shí)物的管腳圖</b></p><p><b>　　理論分析與計(jì)算</b></p><p>　　3.1建立模型與控制方法</p><p>　　為了能夠讓自由擺能夠更好的進(jìn)行擺動(dòng)有利于數(shù)據(jù)的采集我們對(duì)自由擺的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)次改裝。起先的結(jié)構(gòu)如（圖2）

70、所示。該結(jié)構(gòu)只有一個(gè)三軸傳感器，安裝在的轉(zhuǎn)軸下方20cm處，轉(zhuǎn)軸與固定支架之間由一個(gè)承軸作為接觸點(diǎn)，將承軸用金屬半弧扣固定在固定支架上。該結(jié)構(gòu)有一個(gè)致命缺陷就是機(jī)械機(jī)構(gòu)不夠，對(duì)三軸傳感器的數(shù)據(jù)采集有一定的影響。改裝后的結(jié)構(gòu)如（圖3）所示。經(jīng)過(guò)改裝后的結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)傳感器組成，將三軸傳we感器安裝于平板的底部，在延長(zhǎng)后的轉(zhuǎn)軸后面增加了一個(gè)角位移傳感器并將其固定在固定支架上，該結(jié)構(gòu)改善效果并不是很明顯，軸承的緣故強(qiáng)度依舊不夠，影響到角位移傳感

71、器數(shù)據(jù)的采集，采集到的數(shù)據(jù)混亂。并沒(méi)有做到預(yù)期的效果。之后，我們對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了第二次改裝，如（圖4）所示。該結(jié)構(gòu)去除了三軸傳感器，將兩個(gè)承軸安入凹槽中，用金屬半弧扣將其固定在固定金屬架上，用一條金屬條貫穿其中作為轉(zhuǎn)軸末端連接一個(gè)角位移傳感器。經(jīng)過(guò)改裝后，經(jīng)過(guò)改裝后的結(jié)構(gòu)達(dá)到了預(yù)期的效果。</p><p><b>　　圖3-1</b></p><p><b>　

72、　3.2算法分析</b></p><p>　　由于該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程比較復(fù)雜，難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)關(guān)系，所以主要采用的控制方法是模糊控制算法和PID控制算法。</p><p>　　對(duì)于基礎(chǔ)部分，通過(guò)建立的模型可以計(jì)算出一個(gè)理論上期望的角度，但是為了精確穩(wěn)定的控制，我們還需要實(shí)時(shí)性的知道平板的狀態(tài)是否發(fā)生了改變，即它本身的角度是否發(fā)生了偏離，因此在平板附近放置了角度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量平板

73、的偏離角度，將這個(gè)角度反饋給單片機(jī)，在將這個(gè)角度通過(guò)步進(jìn)電機(jī)補(bǔ)償給平板。但是實(shí)驗(yàn)表明這仍然很難達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，因此，我們還采用了模糊控制算法，在上面的基礎(chǔ)上，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，積累一定的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步對(duì)平板進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到穩(wěn)定的目的。</p><p>　　對(duì)于發(fā)揮部分，首先，需要算出平板轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和擺桿擺動(dòng)的角度之間的關(guān)系，其等效模型圖如圖（d）所示：</p><p>　　圖（d）運(yùn)動(dòng)過(guò)程等效

74、模型圖</p><p>　　由圖可知，角度和線段是已知的，是需要求出的角度。由幾何關(guān)系可得出以下幾個(gè)等式：</p><p>　　然后，根據(jù)正弦定理有：</p><p><b>　　由此可以得出，</b></p><p>　　同理可以計(jì)算出當(dāng)擺桿擺向左邊時(shí)，可計(jì)算出相應(yīng)的角度，即</p><p>　

75、　通過(guò)數(shù)學(xué)關(guān)系算出角度后，再通過(guò)控制器進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，就可以計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)所需的步進(jìn)數(shù)，同基礎(chǔ)部分一樣，仍然實(shí)時(shí)測(cè)量平板的偏離角度，將這個(gè)角度反饋給單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償，然后再通過(guò)實(shí)驗(yàn)，用模糊控制算法，進(jìn)一步進(jìn)行微調(diào)。</p><p>　　3.3角度變化產(chǎn)生的誤差：</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中，該設(shè)計(jì)可能會(huì)由于步進(jìn)電機(jī)在告訴旋轉(zhuǎn)的時(shí)候失步而產(chǎn)生較大的誤差。同時(shí)，也會(huì)在不同角度的時(shí)候產(chǎn)

76、生不同的誤差。</p><p>　　3.4測(cè)試結(jié)果與分析</p><p>　　1． 測(cè)試步驟與結(jié)果：</p><p>　　1）．準(zhǔn)備測(cè)試相關(guān)工具</p><p>　　2）．測(cè)試平板隨擺桿的擺動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，擺桿擺一個(gè)周期，平板轉(zhuǎn)360度</p><p><b>　　基本一</b></p>

77、<p>　　分析：該數(shù)據(jù)表明，本設(shè)計(jì)比較精確，誤差不大。</p><p><b>　　基本二</b></p><p>　　分析：該距離還是準(zhǔn)確的，比較符合要求。</p><p><b>　　基本三</b></p><p>　　分析：在+-45°的時(shí)候成功率比較高，但是隨著角度的變

78、大而減小。</p><p>　　對(duì)于分析出來(lái)的理論數(shù)據(jù)進(jìn)行MATLAB仿真，發(fā)現(xiàn)在0°-35°左右，曲線的斜率很好，這個(gè)對(duì)于我們進(jìn)行控制，寫(xiě)程序等提供了很大的幫助。</p><p>　　MATLAB仿真圖，如圖4.</p><p><b>　　平板狀態(tài)測(cè)試方法：</b></p><p>　　用水平計(jì)進(jìn)

79、行測(cè)量，用傳感器測(cè)量，用三角板等等。</p><p><b>　　2．結(jié)果分析：</b></p><p>　　1）．硬幣滑落原因分析</p><p>　　分兩種情況，向平板前滑落和平板后滑落，其中，向平板前滑落有兩個(gè)原因，一是初始狀態(tài)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角過(guò)大；二是步進(jìn)電機(jī)在擺桿啟動(dòng)后，回轉(zhuǎn)時(shí)間延時(shí)過(guò)長(zhǎng)。向平板后滑落也有兩個(gè)原因，一是初始狀態(tài)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)

80、角太小；二是步進(jìn)電機(jī)在擺桿啟動(dòng)后，回轉(zhuǎn)時(shí)間延時(shí)太短。</p><p><b>　　2）．偏差產(chǎn)生原因</b></p><p>　　偏差的產(chǎn)生也有兩方面的原因，一是硬件方面的原因，步進(jìn)電機(jī)的最小步距角為0.1度，而步進(jìn)電機(jī)本身容易抖動(dòng)，這個(gè)抖動(dòng)帶來(lái)的平均偏差就是2cm；同時(shí)，電位器的線性度不足，導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)數(shù)會(huì)有誤差。</p><p>&l

81、t;b>　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4. 1 程序功能描述與設(shè)計(jì)思路</p><p>　　4. 1.1、程序功能描述</p><p>　　根據(jù)題目要求軟件部分主要實(shí)現(xiàn)角度傳感器的信號(hào)的讀取，以及對(duì)應(yīng)角度傳感器的電機(jī)的轉(zhuǎn)角的合算。</p><p>　　1）電位器角度傳感器的功能：把擺杠變化的角度轉(zhuǎn)換為電壓值送

82、給單片機(jī)。</p><p>　　2）電機(jī)轉(zhuǎn)角的功能：根據(jù)擺杠的變化打出對(duì)應(yīng)的角度從而不讓硬幣掉下來(lái)。</p><p>　　4.1.2、程序設(shè)計(jì)思路</p><p>　　電位器角度傳感器的信號(hào)讀取，是比較簡(jiǎn)單的只要通過(guò)讀取對(duì)應(yīng)的電壓值就行。</p><p>　　電機(jī)轉(zhuǎn)角可以利用PI算法，角度傳感器讀進(jìn)來(lái)的值經(jīng)過(guò)換算，轉(zhuǎn)換為PWM波從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)

83、動(dòng)。</p><p><b>　　4.2主程序流程圖</b></p><p><b>　　圖4-1主程序圖</b></p><p>　　圖4-2電機(jī)轉(zhuǎn)角流程圖</p><p>　　軟件開(kāi)發(fā)工具、制作調(diào)試過(guò)程</p><p><b>　　5.1軟件開(kāi)發(fā)工具</b

84、></p><p>　　KEIL UVISION2是美國(guó)KEIL Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，使用接近于傳統(tǒng)C語(yǔ)言的語(yǔ)法來(lái)開(kāi)發(fā)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用,而且大大的提高了工作效率和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期,他還能嵌入?yún)R編，您可以在關(guān)鍵的位置嵌入，使程序達(dá)到接近于匯編的工作效率。KEILC51標(biāo)準(zhǔn)C編譯器為8051微控制器的軟件開(kāi)

85、發(fā)提供了C語(yǔ)言環(huán)境,同時(shí)保留了匯編代碼高效,快速的特點(diǎn)。C51編譯器的功能不斷增強(qiáng)， 使你可以更加貼近CPU本身，及其它的衍生產(chǎn)品。C51已被完全集成到uVision2的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，這個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境包含：編譯器，匯編器，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，項(xiàng)目管理器，調(diào)試器。uVision2 IDE可為它們提供單一而靈活的開(kāi)發(fā)環(huán)境。軟件圖如圖5-1所示</p><p><b>　　圖5-1軟件圖</b><

86、;/p><p>　　Keil uVision2是一個(gè)基于Window的開(kāi)發(fā)平臺(tái)包含一個(gè)高效的編輯器一個(gè)項(xiàng)目管理器和一個(gè)MAKE工具uVision2支持所有的KEIL 8051工具包括C編譯器宏匯編器連接/定位器目標(biāo)代碼到HEX的轉(zhuǎn)換器uVision2通過(guò)以下特性加速你的嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程：器件庫(kù)用來(lái)配置開(kāi)發(fā)工具設(shè)置，項(xiàng)目管理器用來(lái)創(chuàng)建和維護(hù)你的項(xiàng)目，全功能的源代碼編輯器，所有開(kāi)發(fā)工具的設(shè)置都是對(duì)話框形式的，真正的源

87、代碼級(jí)的對(duì)CPU和外圍器件的調(diào)試器，集成的MAKE工具可以匯編編譯和連接你的嵌入式應(yīng)用，高級(jí)GDIAGDI接口用來(lái)在目標(biāo)硬件上進(jìn)行軟件調(diào)試以及和Monitor-51進(jìn)行通信，與開(kāi)發(fā)工具手冊(cè)和器件數(shù)據(jù)手冊(cè)和用戶指南有直接的鏈接。 </p><p>　　Keil uVision2是一款較成熟的51單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境，在此僅對(duì)其一些輔助功能做一些描述。Keil提供了一些輔助工具如外圍接口、性能分析、變量來(lái)源分析、代碼作用分

88、析等，幫助我們了解程的性能、查找程序中的隱藏錯(cuò)誤，快速查看程序變量名信息等。這部份功能并不是直接用來(lái)進(jìn)行程序調(diào)試的，但可以幫助我們進(jìn)行程序的調(diào)試、程序性能的分析，同樣是一些很有用的工具。</p><p>　　5.2 PCB板制作</p><p>　　打印電路板。將繪制好的電路板用轉(zhuǎn)印紙打印出來(lái)，注意滑的一面面向自己，一般打印兩張電路板，即一張紙上打印兩張電路板。在其中選擇打印效果最好的制作

89、線路板。</p><p>　　裁剪覆銅板,用感光板制作電路板全程圖解 。覆銅板，也就是兩面都覆有銅膜的線路板，將覆銅板裁成電路板的大小，不要過(guò)大，以節(jié)約材料。</p><p>　　預(yù)處理覆銅板。用細(xì)砂紙把覆銅板表面的氧化層打磨掉，以保證在轉(zhuǎn)印電路板時(shí)，熱轉(zhuǎn)印紙上的碳粉能牢固的印在覆銅板上，打磨好的標(biāo)準(zhǔn)是板面光亮，沒(méi)有明顯污漬。</p><p>　　轉(zhuǎn)印電路板。將打印

90、好的電路板裁剪成合適大小，把印有電路板的一面貼在覆銅板上，對(duì)齊好后把覆銅板放入熱轉(zhuǎn)印機(jī)，放入時(shí)一定要保證轉(zhuǎn)印紙沒(méi)有錯(cuò)位。一般來(lái)說(shuō)經(jīng)過(guò)2-3次轉(zhuǎn)印，電路板就能很牢固的轉(zhuǎn)印在覆銅板上。熱轉(zhuǎn)印機(jī)事先就已經(jīng)預(yù)熱，溫度設(shè)定在160-200攝氏度，由于溫度很高，操作時(shí)注意安全！</p><p>　　腐蝕線路板,回流焊機(jī)。先檢查一下電路板是否轉(zhuǎn)印完整，若有少數(shù)沒(méi)有轉(zhuǎn)印好的地方可以用黑色油性筆修補(bǔ)。然后就可以腐蝕了，等線路板上暴

91、露的銅膜完全被腐蝕掉時(shí)，將線路板從腐蝕液中取出清洗干凈，這樣一塊線路板就腐蝕好了。腐蝕液的成分為濃鹽酸、濃雙氧水、水，比例為1：2：3，在配制腐蝕液時(shí)，先放水，再加濃鹽酸、濃雙氧水，若操作時(shí)濃鹽酸、濃雙氧水或腐蝕液不小心濺到皮膚或衣物上要及時(shí)用清水清洗，由于要使用強(qiáng)腐蝕性溶液，操作時(shí)一定注意安全！</p><p>　　線路板鉆孔。線路板上是要插入電子元件的，所以就要對(duì)線路板鉆孔了。依據(jù)電子元件管腳的粗細(xì)選擇不同的

92、鉆針，在使用鉆機(jī)鉆孔時(shí)，線路板一定要按穩(wěn)，鉆機(jī)速度不能開(kāi)的過(guò)慢。</p><p><b>　　5.3元器件焊接</b></p><p>　　根據(jù)電路原理圖確定所需的電子元器件清單，將各元器件按PCB位置放好進(jìn)行焊接。焊接有相應(yīng)的先后循序，低的元器件先焊如（電阻，二極管，穩(wěn)壓管），再焊高一點(diǎn)的元器件如（電容，芯片等）這樣一來(lái)焊接會(huì)比較容易也會(huì)更美觀。電路板焊接好以后，首

93、先要做的是檢查電路板是否存在短接，虛焊等情況，對(duì)芯片的每個(gè)角的電壓進(jìn)行測(cè)量。保證所有的元器件都是在正常的工作的情況下，再進(jìn)行下一步的測(cè)試。</p><p><b>　　5.4電路的調(diào)試</b></p><p>　　一焊好的電路板不可能馬上就出來(lái)現(xiàn)象，這就需要我們進(jìn)行調(diào)試。只有把硬件調(diào)試好了，這樣寫(xiě)起程序來(lái)才方便，所有硬件的調(diào)試十分重要。調(diào)試也要分步驟來(lái)，一步一步一個(gè)一

94、個(gè)功能去實(shí)現(xiàn)，就如我的遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)我先調(diào)試我的紅外學(xué)習(xí)電路，讓它實(shí)現(xiàn)對(duì)遙控器的學(xué)習(xí)控制，在這基礎(chǔ)之上在進(jìn)行定時(shí)、掉電保護(hù)電路的調(diào)試。</p><p><b>　　5.5硬件結(jié)構(gòu)組裝</b></p><p>　　硬件結(jié)構(gòu)組裝就如造房子要在適當(dāng)?shù)奈恢梅胚m當(dāng)?shù)南到y(tǒng)，一些系統(tǒng)互相之間是有干擾的，如果處理不好不論你怎么弄結(jié)果都是不佳的。而組裝的原則是對(duì)于無(wú)線的、高頻之類的盡

95、量讓他們單獨(dú)為一個(gè)單元，而電源之類的要考慮散熱對(duì)其他系統(tǒng)的影響。</p><p>　　5.6軟件系統(tǒng)編寫(xiě)調(diào)試</p><p>　　硬件是人的身體，而軟件就是人的大腦，只有一個(gè)好的大腦人才會(huì)做出正常的反應(yīng)。所以軟件是十分重要的，對(duì)于軟件的編寫(xiě)調(diào)試也就十分的重要了。對(duì)于任何一個(gè)事物它所具備的各個(gè)功能的程序是不一樣的，所以對(duì)于我的遠(yuǎn)程智能電器的控制的程序它是包括紅外學(xué)習(xí)、定時(shí)、掉電保護(hù)、電話控制

96、等子程序組成的。所以在編寫(xiě)調(diào)試程序時(shí)，我也是一個(gè)一個(gè)的功能去寫(xiě)去調(diào)試的，先實(shí)現(xiàn)最基本的再在這基礎(chǔ)之上去增加別的功能，最后完成整個(gè)程序的設(shè)</p><p><b>　　結(jié)論：</b></p><p>　　本文介紹了各個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理，相應(yīng)的硬件電路圖、軟件編寫(xiě)的思路等。同時(shí)還比較了多種實(shí)現(xiàn)功能的方案，它們之間的優(yōu)缺點(diǎn)。最后還介紹了硬件、軟件的調(diào)試方法，已經(jīng)偏重點(diǎn)。<

97、;/p><p>　　綜合來(lái)看，自動(dòng)平衡控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。其中硬件部分主要是定時(shí)電路，顯示電路，以及遠(yuǎn)程電話線的解碼電路。軟件部分主要是角度傳感AD采樣的學(xué)習(xí)、存儲(chǔ)，和對(duì)信號(hào)的調(diào)制解調(diào)等。</p><p><b>　　鳴謝：</b></p><p>　　到這里我的畢業(yè)設(shè)計(jì)也就基本介紹了，在這里我十分感謝我們的學(xué)校能提供我這么好的平臺(tái)，能

98、讓我自己設(shè)計(jì)這一整套東西。我的自動(dòng)平衡控制所需要的元器件，已經(jīng)涉及的范圍很廣，很多東西都是需要在老師的幫助下才能得到的。</p><p>　　在此我十分感謝我的指導(dǎo)老師，我能做完這一套系統(tǒng)完全是在王老師的幫助下，指導(dǎo)下才能實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)我能做完這畢業(yè)設(shè)計(jì)也是在王老師多年的培養(yǎng)下，在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間我遇到了很多奇奇怪怪的問(wèn)題，這些問(wèn)題是我在書(shū)本上從未看到過(guò)的，理論上都不曾看過(guò)我十分的茫然，不過(guò)還好有王老師的指導(dǎo)讓我最終戰(zhàn)

99、勝困難完成設(shè)計(jì)。</p><p>　　論文是我大學(xué)的最后一門(mén)任務(wù)，完成了論文我也就給大學(xué)學(xué)習(xí)畫(huà)了一個(gè)完美的句號(hào)了。最后我感謝學(xué)校對(duì)我的培養(yǎng)，謝謝。</p><p><b>　　[參考文獻(xiàn)]</b></p><p>　　[1] 樓然苗，李光飛.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo) [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007</p><p&g

100、t;　　[2] 彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo) [M].北京：高等教育出版社，1997（2008重?。?lt;/p><p>　　[3] 電子報(bào)社編輯部.電子報(bào)2004年合訂本 [J].成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，2004，11</p><p>　　[4] 黃仁欣.DSP技術(shù)及應(yīng)用 [M].電子工業(yè)出版社，2007</p><p>　　[5] 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選

101、編（2005）.北京：北京理工大學(xué)出版社，2007.2</p><p>　　[6] 王煜東.傳感器應(yīng)用電路500例.北京:中國(guó)電力出版社.2008年</p><p>　　[7] 何桂麗，林善希. 中國(guó)來(lái)電顯示標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998:3-12</p><p>　　[8] 李東生．PROTEL99SE電子設(shè)計(jì)技術(shù)入門(mén)與應(yīng)用 [M]. 北京：電子工業(yè)出版社

102、，2002.</p><p>　　[9] 李光飛、樓然苗．單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)例指導(dǎo) [M] ．北京：北京航空航大學(xué)出版社，2003．</p><p>　　[10] 楊欣等．51單片機(jī)應(yīng)用從零開(kāi)始 [M] ．北京：清華大學(xué)出版社，2006．</p><p>　　[11]賁春雨、鄭宇、郭蘊(yùn)紋等．大尺寸直徑非接觸光電檢測(cè)系統(tǒng)研究[J]．儀器儀表學(xué)報(bào)，2006年，第27期第一

103、卷．</p><p>　　[12] 李華等．MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用接口技術(shù)單片機(jī)應(yīng)用從零開(kāi)始 [M] ．京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001．</p><p>　　[13] 曹克橙.單片機(jī)原理及應(yīng)用 [M]，第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.01：12-23[14] L. H. Keel; JJ. I. Rego; S. P. Bhattacharyya; “A New App

104、roach to Digital PID Controller Design”, IEEE TRANSACTIONS ON AUTOMATIC CONTROL, VOL. 48, NO. 4, APRIL 2003 Page(s):697 –– 692.[15] S. Thongchai, S. Suksakulchai, D. M. Wilkes, and N. Sarkar, “Sonar　Behavior-Based Fuzzy

105、 Control for a Mobile Robot”, Proc of IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics, 2000</p><p><b>　　附錄A實(shí)物圖</b></p><p><b>　　附錄B系統(tǒng)程序：</b></p><

106、p>　　#include <hidef.h> /* common defines and macros */</p><p>　　#include "derivative.h" /* derivative-specific definitions */ </p><p>　　#include <MC9S12XS128.h&

107、gt;</p><p>　　#include "MATH.H"</p><p>　　//說(shuō)明 ： 硬幣程序都是在 測(cè)試2點(diǎn)，3點(diǎn)里面 參數(shù)修改</p><p>　　// PORTA_PA2 該端口為 磁鐵預(yù)留端口 </p><p>　　/*---------------------LCD

108、5110端口分配---------------------------*/</p><p>　　#define LCD_DC PORTA_PA5 // LCD第3腳， S12：PA5 第2腳</p><p>　　#define LCD_CE PORTA_PA4 // LCD第2腳， S12：PA4 第4腳</

109、p><p>　　#define SPI_DIN PORTA_PA6 // LCD第4腳， S12：PA6(MOSI) 第5腳</p><p>　　#define LCD_RST PORTA_PA3 // LCD第1腳， S12：PA3(MISO) 第3腳</p><p>　　#define SPI_CLK

110、 PORTA_PA7 // LCD第5腳， S12：PA7(SCK) 第6腳</p><p>　　/*---------------------磁鐵 端口分配---------------------------*/</p><p>　　#define CITIE PORTA_PA2 // 磁鐵預(yù)留端口 高電平有效</p><p>

111、;　　/*---------------------PP1->PWM----------------------------------*/ </p><p>　　#define CW PORTA_PA0 //正反轉(zhuǎn)</p><p>　　#define LED PORTA_PA1 </p><

112、;p>　　#define SDO PORTB_PB0</p><p>　　#define SDI PORTB_PB1</p><p>　　#define SCLK PORTB_PB2</p><p>　　#define CS PORTB_PB3</p><p>　　#define K1 PORTB_PB5</p>