1、-加密号：加密号：学校编号：学校名称：哈尔滨工程大学队员姓名：韩永乐 田震 周武赛点负责人：教务处章2011 年 9 月 3 日基于自由摆的平板控制系统（B 题）摘要：本设计以多圈电阻为数据采集装置，自由摆偏离竖直方向的角度的大小改变多圈电阻阻值，从而将自由摆的摆角信号转化为电信号，再以 PCF8591 进行 A/D 转换，51 单片机为控制核心，通过对逻辑器件的编程控制电机转动，使电机转过的角度始终等于摆臂的摆角保持平板时时刻刻平衡，从而达到题目基本要求。关键字：多圈电阻 PCF8591 51 单片机AbstractThis angular rotation resistance desig
2、n for data acquisition device, through the free pendulum swing signal into an electrical signal, then PCF8591 A/D conversion, 51 single-chip Microcomputer to control core, through the programming of logical device control motor rotation, to maintain the leave of the wood always balance, so as to ach
3、ieve the title essential requirements.一、 系统方案论证 1、 监测与控制方法方案论证方案一、单摆周期。要达到题目要求，则必须时刻使控制系统了解自由摆所处状态。根据单摆公式 T=2 可知，gl/无论平板上放多少硬币，单摆周期始终不变。只要控制好电机转动角度与单摆周期的关系即可保持平板平衡。该方案优点在于测量简单、同一个控制程序可以适用于题目好几个要求，简化程序代码。方案二、单摆角度。如图，要保持平板平衡，在单摆摆动的任一时刻都有 1=2。若以角位移传感器测量单摆的角度，将测量数据传递给单片机，控制电机旋转，使1=2，即能使平板平衡的目的。我们经过仔细分析与
4、讨论，发现方案一中所得的周期只对题目要求一可行，由于周期只针对于摆动的在一个周期内总的状态变化，无法具体到单摆的的任一摆动状态，而这将使题目要求无法全部完成！因此，我们选择方案二。2、 电机选择在电机的选择过程中，我们考虑了舵机、步进电机、直流电机三种电机。要完成题目要求，所选电机必须反应灵敏、转速够快。S9252 舵机反应速度快、角度准，是首选电机。然而鉴于舵机无法朝一个方向旋转 35 周，我们只好无奈地排除舵机。步进电机价格便宜易控制，但开环定位精度差，精度低，步失会引起控制误差，转速有限，基本上不符合我们的要求。对于直流电机，调速方案多，我们通过选择了通过降低电源电压来调速。这种调速方法
5、优点很多。1、电压便于平滑性调节，可实现无极调速；2、调速前后机械率不变，机械特性硬度高，稳定性好，调速范围广；3、调速时损耗小、调节经济性好。综上所述，我们的装置选择了直流电机。 二、 理论分析与计算 按照题目要求，据初步分析，要实现平板平衡的目的，必须使 1=2，自由摆在摆动过程中角速度处于不断变化中，所设计 的控制程序必须时时刻刻针对于摆臂当前状态，控制平板做出对应的调整。摆臂摆动过程中，倾角决定了摆臂当前状态，包括位置、速度，而这一状态又直接决定了该如何调整才能使平板保持水平（以及达到题目其它要求） 。因此，我们采用角位 移传感器来检测摆臂摆动状态，以 51 单片机来处理角位移传感器所
6、捕获的数据，相应的控制电机旋转，以达到题目要求。三、 电路与程序设计1、电路设计（此处要附图并加以说明）2、程序设计程序设计思想：装置启动时刻，传感器捕获装置初始状态悬臂倾角、悬臂角速度，以及平台倾角、平台角速度。单摆在摆动过程中，角位移传感器捕捉当前悬臂倾角，系统计算悬臂当前倾角、当前角速度，据此调控电机运转并将当前数据转化为初始数据，据初始数据控制当前状态，如此持续进行下去。 （详见附录程序）四、 系统测试及结果分析1、 测试仪器:基于自由摆的平板控制系统数字万用表直流稳压稳流电源DS1102E 示波器2、测试条件与结果为确保测试结果的准确性与测试精度，我们选择了在室 内测试。该装置电路系
7、统需在 5v 直流的供电系统下工作。 由于该装置对稳定性要求高，需在平稳、无明显震动的环境下进行，无其他环境要求。测试结果如下：平板旋转角度误差表格 摆杆摆动周期3 5第一次测量误差（度） 108.3 180.6第二次测量误差（度） 105.4 170.3第三次测量误差（度） 34.6 50.4第四次测量误差（度） 25.3 40.5第五次测量误差（度） 26.4 43.4平板上剩余硬币数目表格 放一枚剩余硬币数目（个）放五枚剩余硬币数（个）第一次测量 1 1第二次测量 1 1第三次测量 1 2第四次测量 1 5第五次测量 1 3第六次测量 1 4光斑偏离中线距离表格光斑距中线距离（厘米）第一
8、次测量 完全失败第二次测量 完全失败第三次测量 10.5第四次测量 12.3第五次测量 9.5第六次测量 5.63、测试结果分析经测试，发现结果不太理想。经仔细排查原因，主要原因为硬件系统稳定性差，固定所用支架存在一定晃动，导致自由摆在摆动过程中震动。其次，平板与电机之间的连接不太合理，平板与固定支架之间随使用次数增加而摩擦力逐渐增大，导致平板旋转缓慢，不能跟上电机转速。消除影响之后，测试结果有所好转，然而离所期望的结果差距尚大，究其根本，电机自然具有的空程是导致实验不理想的主要原因。换用电机后，该问题依然存在，尚未消除。5、总结该基于自由板的平板控制系统设计思路简单，硬件制作部分简单，但软件
9、控制方面算法极其复杂，对于大一的我们来说，相当困难。经过多次调试，精度方面仍有待提高，但我们尽力了。经历本次大赛，我们学到很多课堂上学不到的知识，重要的是我们将所学的知识运用到了实际生活中，也懂得了团队协作的重要性。参考文献 【1】秦世才，贾香鸾.模拟电路基础.天津：南开大学出版社，1998.【2】杨欣，王玉凤刘湘黔.电子设计从零开始.北京：清华大学出版社，2005.【3】王兢，王洪玉.数字电路与系统.北京：电子工业出版社，2007.附录/2011Nation.c : source file for the 2011Nation project/#include “2011Nation.h“#
10、include “2011NationADC.h“#include “2011NationUART.h“#include “2011NationTimer.h“#include “lcd-char.h“#include “2011NationMotorCON.h“#include “PID.h“#include “motor_change_speed.h“extern int PID_cal(unsigned int l_Goal,unsigned int l_Now);/2011Nationint CantileverAngleLast =0 ; /上一时刻悬臂倾角int CantileverAngle; /悬臂倾角int CantileverSpeed; /悬臂角速度
