摘 要
本设计采用单片机AT89S52作为控制核心，辅以步进电机、键盘、LCD显示、LED显示、角度传感器数据采集等电路组成，实现自由摆平板平衡控制、角度控制等功能。摆杆角度的采集我们创新地采用了MMA745微加速度计，针对单摆这一特殊物理过程来实现加速度与角度的转换。平板控制电机直流电机，电机控制使用了模糊控制的控制算法，简化程序，减少超调量和静态误差。系统能源采用容量大、无污染、价格可以承受的镍氢充电电池。整个系统从控制到传感低功耗、高性能，能源环境友好，角度显示界面用户友好，在较好的完成要求功能同时突出了以人为本，低碳生活的时代主题。 关键词：单片机AT89S52，平板控制，微加速度计，自由摆，低功耗
Abstract
This design uses a microcontroller AT89S52 as the control core, supplemented by the stepper motor, keyboard, LCD display, LED display, the angle sensor data acquisition circuit, to achieve freedom settle the balance board control, angle control. Pendulum angle
of collection of our innovative use of the MMA745 micro-accelerometer, physical process for the pendulum to achieve this particular acceleration and angle of the conversion. Plate using direct motor control .Motor control using fuzzy control algorithm to simplify procedures, reduce the overshoot and the static error. System energy use of large capacity, non-polluting, affordable nickel-metal hydride rechargeable batteries. The entire system from the control to the sensor low-power, high performance, energy and environment-friendly, user-friendly display interface point of view, the better to complete the requested function in the same time highlights the people-oriented, low-carbon life the theme of the times.
Key word: microcontroller AT89S52, flat control, micro-accelerometers, free swing, low power consumption
目 录
1. 系统方案……………………………………………………………………………………3
1.1系统结构……………………………………………………………………………………3
1.2方案比较与选择……………………………………………………………………………3
2 理论分析与计算………………………………………………………………………………6
2.1 平板状态测量方法…………………………………………………………………………6
2.2建模与控制方法……………………………………………………………………………6
3 电路与程序的设计……………………………………………………………………………7
3.1电路设计……………………………………………………………………………………7
3.2 程序结构与设计……………………………………………………………………………10
4 测试方案与测试结果…………………………………………………………………………12
4.1 测试仪器……………………………………………………………………………………12
4.2指标测试……………………………………………………………………………………12
4.3 结论…………………………………………………………………………………………13助勃器
5 总结……………………………………………………………………………………………13
参考文献…………………………………………………………………………………………13
1系统方案
1.1系统结构
根据题目要求，系统可以划分为控制系统和信号检测系统。其中信号检测系统包括：倾角测量模块，激光探测模块，无线收发模块。控制部分包括：电机驱动模块，LCD显示模块，控制器模块，功能选择模块，状态标志模块，模块框图如图1.1.1和1.1.2所示。为实现各模块的功能，分别作了几种不同的设计方案并进行了论证。 图1.1.1 控制系统模块方框图
图1.1.2 信号检测系统模块方框图
1.2方案比较与选择
（1）平板控制方式
方案一： 采用步进电机控制平板
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
方案二：采用直流电机控制平板
定子励磁绕组通入直流励磁电流，产生励磁磁场。当电枢从外界引入直流电，经碳刷给换向器，再通过换向器将此直流电转化为交流电引入电枢绕组，产生电枢电流，此电流产生磁场，与励磁磁场合成为气隙磁场。电枢绕组切割气隙合成磁场，按左手定则可判断出电枢产生转矩，这就是直流电动机的简单工作原理。
虽然方案一步进电机没有积累误差，但是步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象。而直流电机调速特性好，具有调速方便、平滑，调速范围广；能承受频繁冲击负载，过载能力强；能实现频繁快速、制动以及逆向旋转。综合以上分析，我们选择方案二。
（2）电机控制方式
方案一：采用模糊控制
其优点是不需要精确知道被控对象的数学模型，而且适用于具有较大滞后特性的被控对象。缺点是静态误差不容易控制。
方案二：采用 PI 控制
其优点是理论和技术都很成熟，在单片机上较易实现，可以达到较小的静态误差。
方案三：采用模糊控制与 PI 控制结合的算法。
根据题目对控制精度要求并不高，因此采用方案一。
（3）平板状态测量方法
方案一： 偏心轮采用角度传感器
其原理为轴每转过1/16圈，角度传感器就会计数一次。往一个方向转动时，计数增加，转动方向改变时，计数减少。计数与角度传感器的初始位置有关。但是，当运行速度太慢或太快时，检测和计数方面会受到影响，如果速度超出了其指定范围，角度传感器就会丢失一些数据。
方案二： 采用总线上的音频设备“固体摆”式倾角传感器
倾角传感器是一种通过把传感器相对于基准面的倾角转换为与之相对应的电信号输出，从而求出对应对应倾角装置。如图1.3.1所示，其由摆锤、摆线、支架组成， 摆锤受重力mg
和摆拉力T的作用，其合外力F为： 其中，θ为摆线与垂直方向的夹角。在小角度范围内测量时，可以认为合力F与θ成线性关系。
倾角传感器把MCU真空床，加速度计，模数转换电路，通讯单元全都集成在一块非常小的电路板上面，可以直接输出角度等倾斜数据。数据方式输出，接口形式有I2C和SPI两种，方便数据的采集处理，所以系统采用方案二。
（4）激光笔寻中心线的方法选择
方案一：采用绝对高精度编码器
采用绝对高精度编码器来测量摆杆偏移角度，通过几何计算算出平板转动角度，控制电机执行。
方案二：采用无线收发模块
在中心线上安置光敏电阻，靶子和控制系统之间安置无线收发模块，当激光笔照射到中心线时，和单片机通信控制舵机停止转动。
方案三：采用红外遥控模块
固定摆杆角度后，通过手动遥控激光笔，使之到中心线。
方案一要采用高精度编码器，成本很高；方案三开环控制，不能体现智能化特点。综合分析，我们选择光敏电阻检测激光，并通过无线收发模块实现信号检测系统和控制系统的通信。
（5）主从机通信协议部分
方案一：采用并行总线方式
多机通信时，结构复杂。
方案二：采用海参软胶囊 I2C 总线通信协议
优点是易于实现多机通信并且通信线路简单，仅需要SDA，SCL 两条通信线。但是不适合较长距离的信号传输。
方案三：采用 TTL串行通信
通信技术成熟，具有方案二的优点，仅需要 TXD，RXD两条通信线，波特率可调，通信速度快。缺点是 TTL 信号容易受干扰，不利于长距离传输数据。
方案四：采用 SPI串口通信方式
本方案具有方案三的优点，并且抗干扰能力强，可实现较长距离通信。
由于控制系统与倾角传感模块距离不长，我们选择方案二。基于无线收发模块的通信电路，我们为保障通信质量，选择方案四。
（6）键盘显示部分
键盘直接利用 I/O 扩展而成，实现任务功能之间的转换、放硬币前平板调平和激光笔寻中心线计时开始。显示部分由1602完成。
（7）状态标志模块
状态标志模块的设计要求是系统在光敏电阻检测到激光时发出光声信号。在发声方面，考虑到体积和功耗的因素，我们使用了蜂鸣器代替普通的扬声器。在发光方面，考虑到电路
的简易程度，功耗和电源的因素，系统采用了发光二极管。
2理论分析与计算
2.1平板状态测量方法
采用“固体摆”式倾角传感器
倾角传感器是一种通过把传感器相对于基准面的倾角转换为与之相对应的电信号输出，从而求出对应对应倾角装置。如图2.1.1所示，其由摆锤、摆线、支架组成， 摆锤受重力mg和摆拉力T的作用，其合外力F为： 其中，θ为摆线与垂直方向的夹角。在小角度范围内测量时，可以认为合力F与θ成线性关系。
图2.1.1 倾角传感器原理
倾角传感器把MCU，加速度计，模数转换电路，通讯单元全都集成在一块非常小的电路板上面，可以直接输出角度等倾斜数据。数据方式输出，接口形式有at89s52最小系统I2C和SPI两种，方便数据的采集处理。
2.2建模与控制方法
PWM控制方法:采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。
建模与控制方法：本题是一个光、机、电一体的综合设计,在设计中运用了检测技术、自动控制技术和电子技术。系统可分为传感器检测部分和智能控制部分。
传感器检测部分：系统利用倾角传感器、光电传感器检测到的外部信息（转化为可被控制器件辨认的电信号。
智能控制部分：系统中控制器件根据由传感器变换输出的电信号进行逻辑判断，控制电机、显示数码管、蜂鸣器以及发光二极管，完成各项任务。控制部分包括四个主要单元电路：单片机控制电路、电机驱动电路、LCD显示电路。
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