基于自由摆的平板控制系统设计

　　摘要：基于自由摆的平板控制系统主要由摆架框架、数据采集部分、主控板和驱动系统四大部分组成。摆架框架主要由固定支架、摆杆和平板构成。数据采集使用了高精度低量程的加速度传感器MMA7361L；主控板以ATMEL公司8位单片机AT89S52为控制核心；驱动系统采用了WWX系列的步进电机。自由摆的运动为连续的控制过程，控制规律采用了基于拉格朗日方程的平板状态反馈控制算法。系统经测试表明，控制精度高，稳定性好。
　　关键词：平板控制系统；加速度传感器；步进电机；反馈控制算法
　　一、系统整体方案
　　自由摆平板控制系统是由数据采集模块、控制驱动模块、电机驱动模块和自由摆本体等几大部分构成的一个闭环系统。其系统结构框图如图1所示。
　　在系统中，通过加速度传感器的反馈获得自由摆平板的位移，控制驱动模块实时读取传感器反馈的数据，确定控制决策，同时控制模块通过处理器内部的控制算法实现该控制决策，产生相应的控制量，使电机转动，从而带动平板转动，达到平板的平衡状态。
　　图1系统结构框图
　　二、硬件电路设计
　　1．数据采集电路
　　数据采集部分可以实现平板角度的检测。该电路由传感器电路、信号调理电路和A/D转换电路三部分组成。传感器选用MMA7361L型加速度传感器，它是一种低功耗、小型电容式微机械加速度传感器，具有信号调理、一阶低通滤波器、温度补偿、自检、带有线性自由落体检测的零重力检测，以及可以选择两种灵敏度的重力选择功能。它可根据物件运动和方向改变输出信号的电压值。各轴的信号在不运动或不被重力作用的状态下，其输出电压为1.65V。如果沿着某一方向活动或受到重力作用，输出电压就会根据其运动方向以及设定的传感器灵敏度而改变输出电压。
　　为了提高传感器的抗干扰能力，在传感器的电源输入引脚VDD附近设置了一个100nF的滤波电容，并以低阻抗连接到地。输出信号Vout也通过一个小电容（10nF）接地保护。并将传感器电路的输出送入信号调理电路。
　　信号调理电路如图2所示，由图2可见该电路是由LM324构成的电压跟随器和同向比例放大器级联构成，可实现将输入电压信号放大2倍左右。
　　图2信号调理电路
　　2.主控电路
　　主要负责接收ADC转换后的角度信息，由单片机进行处理进而控制电机工作，是整个系统的核心。主控电路主要由单片机及显示等外围电路组成。硬件电路简单，主要工作量集中在软件的编程上。主控电路的构成如图3所示。
　　图3主控电路构成图
　　三、软件设计
　　1．软件整体功能
　　软件实现的主要功能为：控制数据采集模块获得电压数据，对采样数据进行处理，获得处理器可接受的电信号值，对步进电机进行控制，实现系统响应时间到时给予LED指示。
　　2．系统主程序流程
　　系统主程序分系统初始化模块和控制算法模块。为使后面的设置不受中断的影响，系统首先屏蔽全部可屏蔽中断，接着对系统进行初始化。初始模块只在系统上电或复位时执行一次。主程序流程图如图7所示。
　　图7系统主程序流程图图8控制程序流程图
　　结语
　　经实际测试，所设计的系统在自由摆运动的过程中，摆幅最大可达60度，运动同时可保持平板上放置的8枚硬币不从平板上掉下。该系统电路结构简单，控制算法简单，控制精度高，在控制平板运动中取得了较为满意的控制效果。
　　参考文献：
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