1、基于角度传感器的承载平台自动平衡调整系统设计基于角度传感器的承载平台自动平衡调整系统设计 摘要 ： 本文介绍了承载平台平衡调整系统的设计和实现过程。本方案共分四个模块：检测模块、控制模块，显示模块、角度调整模块。利用角度传感器测出平台长边和宽边的倾角，并显示出来。通过单片机对检测系统电路，显示系统电路和角度调整系统电路的控制，来实现承载平台平衡调整系统。此方案可行性高，但缺点是精确度不够高。关键词： 承载平台 平衡调整 单片机控制Abstract: this article describes the load platform balance adjustment system design
2、 and Implementation process. The program is divided into four modules: detection module control module, display module, angle adjustment module. Using the angle the long side of the sensor platform and the broad-brimmed inclination, and displayed. Microcontroller circuit through the detection system
3、, indicated that the circuit and the angle adjustment system, the control circuit to adjust the system to achieve load balancing platform. This program feasible, but the drawback is that accuracy is not high enough.Keywords: load balancing adjustment MCU Platform.目 录1. 引言 . 22. 方案的设计与论证 . 22.1 总体方案的
4、描述 . 22.2 各模块系统电路的比较与选择 . 22.2.1角度传感器的比较与选择 32.2.2显示系统方案的比较与选择 32.2.3角度调整系统方案的比较与选择 42.2.4控制系统方案的比较与选择 . 42.2.5系统总体方案的确定 43. 硬件电路设计与分析 . 43.1 硬件系统的组成 . 43.2 主要模块电路设计 . 53.2.1 检测系统电路 . 53.2.2 控制电路 . 53.2.3 显示电路 . 63.2.4 角度调整系统电路 74. 系统程序设计与工作流程 74.1总体电路图. 84.2 程序流程图. 85. 理论分析与测试结果 . 95.1 倾角检测原理 . 95.
5、2 调平算法 . 105.3 测试结果及分析 . 105.3.1 测试方法 . 105.3.2 测试仪器 . 105.3.3 测试结果 . 115.3.4 测试结果分析 . 116. 结论 . 111. 引言承载平台自动平衡系统在国内外很多大学及其爱好者很早就有研究，因其有着非常重要的研究价值和广泛的应用价值。受到大家青睐。角度传感器与平台系统结合在航天工业的应用也越来越占作要的作用。2. 方案的设计与论证2.1总体方案的描述据对题目要求的分析，我们得到初步的思路，如下2-1图所示：图 图2-1 总体方案的描述：方案设计的思路就是先由检测系统检测出放上重物后平台的倾斜角度，判断此角度是不是在一
6、定的范围之内，是否需要角度调整系统对平台角度进行调整。若需要调整，平台会在规定的15S时间内对平台进行调整，同时显示系统会显示倾角度数。2.2 各模块系统电路的比较与选择2.2.1 角度传感器的比较与选择方案1：角度传感器KMZ41与信号调理芯片UZZ9001组成的角度采集模块。KMZ41与信号调理芯片UZZ9001一起,能够对180范围内的角度信号进行测量,并利用SP I方式提供11位的角度信号输出。电路图如图2-1所示。方案2：采用SFT245AL双轴倾角传感器测量平台的倾斜度数。SFT245AL 双轴倾角传感器测量范围45 度。本题的要求倾斜角在20范围之内，所以此传感器可以满足题目要求
7、。SFT245AL输出方式 RS485 （或TTL 或RS-232）具有零点设定， 输出频率可调， 波特率可选等功能。体积小、重量轻全部采用工业器件性能稳定、可靠，抗冲击，抗震动，高性价比，易于集成宽电源电压。对比之下，角度传感器KMZ41与信号调理芯片UZZ9001组成的角度采集模块结构电路较为复杂。而SFT245AL双轴倾角传感器仅需要一个就可以完成角度传感器KMZ41与信号调理芯片UZZ9001组成的角度采集模块才能完成的任务。所以我们选择方案二，采用SFT245AL双轴倾角传感器来检测倾斜度。 图2- 22.2.2 显示系统方案的比较与选择方案1：用数码管进行显示。数码管由于显示速度快
8、，使用简单，显示效果简洁明了而得到了广泛应用。但是由于本题中要同时显示两个方向的倾斜角度，用数码管无法显示如此丰富的内容，因此我们放弃了此方案。方案2：用LCD液晶进行显示。LCD由于其显示清晰，显示内容丰富、清晰，显示信息量大，使用方便，显示快速而得到了广泛的应用。对于此系统我们选用LCD1602的液晶显示器。2.2.3 角度调整系统方案的比较与选择：方案1：选用步进电动机调整倾斜角度，使平台平衡步进电机步距角一般为3.6、 1.8， 在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。此题中桌面不是空载需承受500g的重量。步进电机的工
9、作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般还应采用阻尼技术来克服低频振动现象。步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降。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。运用步进电机，需要与伸缩杆连用，步进电机控制伸缩杆伸缩来达到调整角度的目的。方案2：选用偏心轮带动桌面从而来调整倾斜角度当单片机把桌面倾斜的信息传给偏心轮，偏心轮带动桌面做回转运动，一以此来调整角度。但偏心轮的缺点是不善于传递动力。而题目的要求是可以放500g的重物。方案3：选用金属齿轮微型舵机调整桌面的倾斜舵机具
10、有以下一些特点： 1) 体积紧凑，便于安装； 2) 输出力矩大，稳定性好； 3) 控制简单，便于和数字系统接口，用单片机来控制。 舵机的控制信号是一个脉宽调制信号，因为在脉冲信号的输出可以用定时器的溢出中断函数来处理，时间很短，因此在精度要求不高的场合可以忽略。通过编程就可以让舵机从-90度变化到+90度。题目中对于角度精度的要求是3。倾斜度在20范围之内。所以金属微型舵机完全能够满足题目要求。舵机的速度决定于给予它的信号脉宽的变化速度。将脉宽变化值线性到要求的时间内，一点一点的增加脉宽值，就可以控制舵机的速度因此，我们选择方案三。2.2.4控制系统方案的比较与选择方案1：用FPGA来产生舵机
11、的控制信号。但FPGA成本高且电路复杂方案2：用模拟电路来产生舵机的控制信号。对于脉宽调制信号的脉宽变换，常用的一种方法是采用调制信号获取有源滤波后的直流电压，但是需要50Hz(周期是20ms)的信号，这对运放器件的选择有较高要求，从电路体积和功耗考虑也不易采用5mV以上的控制电压的变化就会引起舵机的抖动，对于机载的测控系统而言，电源和其他器件的信号噪声都远大于5mV，所以滤波电路的精度难以达到舵机的控制精度要求方案3：用单片机作为舵机的控制单元。使PWM信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而提高舵机的转角精度单片机完成控制算法，再将计算结果转化为 PWM信号输出到舵机，由于单片机系统是一个数字
12、系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。所以，综上方案的比较，控制系统选择方案三2.2.5 系统总体方案的确定经过上述各模块系统电路方案的比较与选择，系统的总方案最终确定如下：系统由单片机STC89C52、双轴倾角传感器SFT245AL、MAX232、LCD1602与MG90S 14G金属齿轮微型舵机组成。3. 硬件电路设计与分析3.1 硬件系统组成及方框图由以上方案的论述可得，硬件系统主要由单片机STC89C52、双轴倾角传感器SFT245AL、MAX232、LCD1602与MG90S 14G金属齿轮微型舵机组成。系统结构图如下图3-1所示：图3-1总电
13、路图如下图3-2所示：图3-23.2 主要模块电路设计3.2.1 检测系统电路系统采用SFT245AL双轴倾角传感器测量平台的倾斜度数。物体放在平台上会引起平台出现一定角度的倾斜，双轴倾角传感器将倾斜度以16个Byte的数字信号的形式传给单片机控制系统，控制系统再将指令传给金属微型舵机来调节平台的平衡。电路图如下图3-3所示：图3-33.2.2控制电路系统硬件以STC89C52单片机为核心，STC89C52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。双轴倾角传感器以电信号形式传给单片机，从而实现单片机对调控系统的控制作用。控制电路的电路图如下图3-4所示：图3-4STC89C52引脚图如下图3
14、-5所示： 图3-5 STC89C52引脚图3.2.3 显示系统电路 显示系统LCD1602与单片机控制系统的连接电路图如图3-6所示：图3-6 LCD1602A(16*2)模拟口线接线方式 连接线图: - |LCM-52 | LCM-52|LCM-52 | -| |D0-P0.0 | D4-P0.4 | RW -P2.5 | |D1-P0.1 | D5-P0.5 | RS -P2.4 | |D2-P0.2 | D6-P0.6 | E -P2.6 | |D3-P0.3 | D7-P0.7 | VEE接10K滑动电阻到GND| -3.24角度调整系统电路 舵机的运动需要提供一定的电源。如图图3-
15、7为舵机的供电电源电路:图3-7控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转当电机一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务：首先是产生基本的PWM周期信号，本设计是产生20ms的周期信号；其次是脉宽的调整，即单片机模拟PWM信号的输出，并且调整占空比当系统中只需要实现一个舵机的控制，采用的控制方式是改变单片机的一个定时器中
16、断的初值，将20ms分为两次中断执行，一次短定时中断和一次长定时中断这样既节省了硬件电路，也减少了软件开销，控制系统工作效率和控制精度都很高。舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵位置。一般舵机的控制信号如图3-8所示： 图3-84. 系统程序设计与工作流程4.1 总体电路图总体电路图见上图3-24.2 程序流程图 检测系统流程图如图4-1显示系统流程图如图4-2 所示： 检测系统流程图4-1 显示系统流程图4-2 角度调整系统流程图如图4-3所示： 图4-35. 测试分析及测试结果5.1倾角检测原理： 由于倾角的变化相对比较缓慢，基本属于静态测量，静态测量的一个特殊的例子就是重力
17、加速度，当传感器静止时（也就是侧面和垂直方向没有加速度作用），作用在它上面的只有重力加速度。重力（垂直）和传感器敏感轴之间的夹角就是倾斜角，因为倾角是由敏感轴和重力矢量所组成的垂直平面决定，倾斜可以从传感器的初始的位置测得。当传感器处于水平位置时，如图4所示，图中，XOY平面为水平面，Z轴为重力势方向。当传感器以O点为参考点绕X轴或绕Y轴转动时，这时传感器的输出和倾角的关系为: （2） 式中ax ,ay 为传感器X敏感轴和Y敏感轴的输出；g为重力加速度值；，为传感器水平面与坐标系水平面上X轴和Y轴的倾斜角度。5.2 调平算法 在本系统中我们设置了两种调平算法，一种是单片机内部程序自动控制，另一
18、种是人为按键调控舵机的转动。具体方法流程如下： 5.3 测试结果及分析5.3.1 测试方法方法一：在平台上放一质量约为500g的重物，当平台出现一定倾角的时候角度传感器将度数显示在LCD液晶显示屏上，此时我们用角度测量仪对平台进行测量，与液晶显示屏上的数据进行对比。数秒后单片机对舵机进行控制调控角度，数码管显示其度数。此时，我们再用角度测量仪进行测量，再与液晶显示屏上的度数进行对比。以此来验证系统的准确性。方法二：在平台上放一质量确定的物体时，我们在键盘上输入一角度，然后用角度测量仪测角度与输入的比较。5.3.2 测试仪器角度测量仪 5.3.3 测试结果 ：调前LCD读数32302024191
19、6212611调前测量仪度数303218211717182413调后LCD读数210310012调后测量仪度数4221022215.3.4 测试结果分析测量结果表明此系统还存在些问题，精确度不够高。原因有多种，硬件制造有些粗糙，舵机转动时存在一定摩擦，电路连接的接头有时会影响电路中的电信号的传送。6. 结论 本文所介绍的有关角度传感器的承载平台平衡系统，采用单片机智能控制，数字显示，具有一定的测量精度，其方法的最大优点是软件简单、计算量小、转换速度快，但由于受到器件精确性（如：角度传感器），使得显示的数字与实际用角度测量仪测量的值之间存在一定的误差。参考文献1 叶贞贞 角度传感器简单应用系统J. 科技致富向导 2010 (15)2 王杜 张凤志 角度传感器数据自动处理装置 J 黑龙江大学自然科学学报 1989（02）3 马军山、王向朝、方祖捷、张世宙、清野慧 精密角度传感器及其标定技术研究J 光学学报 2001（02）4 王启东、陈纯坤 激光动态角度测量系统研究 J 光学学报 1995（01）5 刘庆纲、叶声华、清野慧、冈彻 液中测量型原子力显微镜的研究 J 光电工程 1996（03）6 光学传感、传感器J. 中国光学与应用光学文摘, 2004,(01) 7 周姣, 蒋求生. SCA100T角度传感器在角度测量系统中的设计J 科技风 2009（11）
