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基于自由摆的平板控制系统
基于自由摆的平板控制系统——2011年全国大学生电子设计竞赛本科组b题
北京航空航天大学
【摘要】本系统以s3c2440arm单片机为控制核心，由触摸液晶屏选择控制实现不同过程的的切换，经角度传感器得到自由摆由初始位置摆过的角度，并将数据传递给arm单片机，通过相应数学及物理公式的运算，最终实现题目要求的任务。其中平板控制部分使用行星减速步进电机，增加了扭矩与控制精度。发挥部分采用加速度传感器读取数据，运用三角函数计算控制平板的角度，使激光在摆动中保持打在靶上同一点。本系统具有工作精度高、反应快速准确、制作材料简易等优点。
【关键词】自由摆；平板控制；s3c2440arm单片机
1.系统方案
本系统要求电机能够精确控制平板随摆杆摆过的角度而转动，故使用角位移传感器、加速度传感器、行星减速步进电机、s3c2440arm单片机等模块实现符合题目要求的设计，下面分别论证对于这几个模块的选择。
1.1自由摆摆角测量的论证与选择
方案一：直线位移传感器。根据三角形内角及边之间的相关定理，可以测量自由摆划过的的长度计算出摆角的大小。直线位移传感器的功能在于把直线机械位移量转换成电信号。有效行程75mm～1250mm，两端均有4mm缓冲行程，精度0.05%～0.04%fs，允许极限运动速度为10m/s。然而自由摆为圆弧运动不易测出直线距离，而且位移传感器机械安装固定困难。
方案二：角位移传感器。该传感器采用特殊形状的转子和线绕线圈，模拟线性可变差动传感器（lvdt）的线性位移，有较高的可靠性和性能，转子轴的旋转运动产生线性输出信号。此输出信号的相位指示离开零位的位移方向。转子的非接触式电磁耦合使产品具有无限的分辨率，即绝对测量精度可达到零点几度。可将角位移传感器的转子固定在自由摆的转轴上，可以根据角位移传感器返回的阻值测出自由摆摆动的角度。角位移传感器测量符合需求，机械安装简单，价格合适。
综合以上两种方案的优缺点，角位移传感器可以准确读出摆杆摆过的角度，故选择方案二。
1.2电机的论证与选择
方案一：直流电机。直流电机是定义输入为直流电能的旋转电机。加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。直流电机的优点：调速性能好，调速范围广，易于平滑调节。启动，制动转矩大、易于快速启动、停止。然而直流电机的缺点是不能精确的控制转角。
方案二：模拟舵机。模拟舵机在空载时，没有动力被传到舵机马达。当有信号输入使舵机移动，或者舵机的摇臂受到外力的时候，舵机会作出反应，向舵机马达传动动力（电压）。这种动力实际上每秒传递50次，被调制成开/关脉冲的最大电压，并产生小段小段的动力。当加大每一个脉冲的宽度的时候，如电子变速器的效能就会出现，直到最大的动力/电压被传送到马达，马达转动使舵机摇臂指到一个新的位置。然后，当舵机电位器告诉电子部分它已经到达指定的位置，那么动力脉冲就会减小脉冲宽度，并使马达减速。直到没有任何动力输入，马达完全停止。模拟舵机的“缺点”是：当给予一个短促的动力脉冲，紧接着很长的停顿，并不能给马达施加多少激励，使其转动。这意味着如果有一个比较小的控制动作，舵机就会发送很小的初始脉冲到马达。对于本题中所需求的微小角度则不适合用模拟舵机控制。
方案三：行星减速步进电机。行星减速机具有高刚性，高精度（单级可做到1分以内），高传动效率（单级在97%-98%），高的扭矩/体积比，终身免维护等特点。因为这些特点，行星减速机多数是安装在步进电机和伺服电机上，用来降低转速，提升扭矩，匹配惯量。
综合以上三种方案，选择方案三。
1.3平板水平检测的论证与选择
方案一：倾角传感器。倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器，倾角传感器还可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。测量时可将倾角传感器固定在自由摆臂上，这样可以采集到自由摆摆动的角度。但是考虑到自由摆自身摆动的时候会产生切向的加速度影响倾角传感器的效果。
方案二：加速度传感器。st公司的li
s3lv02dq数字三轴加速度传感器，提供+/
-2g、+/-6g两档加速度量程，直接输出数字值，灵敏度高达（1/1024）g，（1/16384）g。该加速计能够同时测量沿三个轴（x，y，z）的倾斜和加速动作，且噪声级非常低，功耗小，对电池供电的便携系统至关重要。
由于本系统需精确控制平板保持水平状态，故选择方案二中不受切向加速度影响的加速度传感器。
1.4控制系统的论证与选择
方案一：stc89c51单片机。51是目前使用