基于自由单摆的打靶控制系统设计【毕业论文】.doc

1、毕业论文 - 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 基于自由单摆的打靶控制系统设计 学 院： 学生姓名： 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 - 基于自由单摆的打靶控制系统设计 摘要 本设计采用飞思卡尔最小系统板 MC9S12XS128 为核心。 MC9S12XS128 自带有 12 位 A/D采样功能，结合 采用精密线性电位器对每一时刻的单摆的摆角进行实时采样， 保证角度采样的精度 ，单片机根据这一变化量经过 软件 PID 处理 分析处理，最后输出一控制信号给 电机驱动模块，使电机根据这一信号转过对应的角度，控制激光笔打点的位置，实现实时动态调节。为

2、了解决 步进电机的步进角度比较大，容易使装置发生抖动， 减少 激光打靶的偏差，对步进电机 的驱动采用了 电流衰减 和 细分 方式 。在设计中步进电机驱动芯片采 B6560AHQ，使其能够有效的对最小系统输出的信号细分并且对其电流衰减，使得步进电机每进一步转过的角度细化到 0.1 和减少了转动时的震动程度 。使得激光打靶 到靶心位置 的稳定。经过实践证明，对电机进行细分 和驱动电流 电流衰减后，对整个系统的稳定性和精确度都有一个较大的提高。 【 关键字 】： MC9S12XS128 ；角度传感器 ；步进电机 ； TB6560AHQ ；信号细分 毕业论文 - Abstract This desig

3、n uses a fly think of Carle minimum system board MC9S12XS128 as the core. MC9S12XS128with12 A / D sampling function, combined with the use of precision linear potentiometer for each moment of the pendulum swing angle in real time sampling, to ensure the angle sampling accuracy, the MCU according to

4、this change in volume after software PID processing and analysis processing, and outputs a control signal to the motor drive module, so that the motor according to the signal turn the corresponding angle, control laser pen management position, realize the real-time dynamic regulation. In order to so

5、lve the stepper motor step angle is relatively large, easy to make the device to reduce jitter, laser target deviation, the stepper motor driven by the current decay and subdivision method. In the design of stepper motor driver chip using B6560AHQ, so that it can be effective on the minimum system o

6、utput signal subdivision and to its current decay, the stepper motor at each further turning angle of0.1 DEG and refinement to reduced rotation vibration level. The laser targeting to the bulls eye position stability. Practice has proved, the motor drive current subdivision and current decay, the wh

7、ole system o f stability and accuracy have a larger improvement. Key words MC9S12XS128; angle sensor; stepping motor; TB6560AHQ; signal subdivision 毕业论文 - 目录 前言 . 1 第 1 章 绪论 . 3 1.1 系统框架设计总方案 . 3 1.2 系统组成模块方案 . 3 1.2.1 控制器模块 . 3 1.2.2 电机模块 . 4 1.2.3 电机驱动方案 . 4 1.2.4 角度传感器模块 . 4 1.2.5 电源模块 . 5 第 2 章

8、系统主要硬件电路设计 . 6 2.1 电源模块硬件设计 . 6 2.2 单片机性能及其应用 . 6 2.2.1 单片机最小系统 . 8 2.3 激光发射部分 . 9 2.4 电机驱动模块 . 12 2.5 角度传感器模块 . 16 2.6 液晶显示 . 18 第 3 章 理论分析与计算 . 20 3.1 支架选择： . 20 3.2 激光打靶计算： . 21 3.3 角度变化产生的误差： . 22 3.4 步进电机概论及分类 . 22 3.5 不同的步进电机走一步产生的影响： . 23 3.6 测试结果与分析 . 24 第 4 章 系统软件设 计 . 24 4.1 程序功能描述与设计思路 .

9、24 4.1.1 程序功能描述 . 24 4.1.2 程序设计思路 . 24 4.2 主程序流程图 . 25 第 5 章 软件开发工具、制作调试过程 . 27 5.1 软件开发工具 . 27 毕业论文 - 5.2 PCB 板制作 . 28 5.3 元器件焊接 . 28 5.4 电路的调试 . 29 5.5 硬件结构组装 . 29 5.6 软件系统编写调试 . 29 鸣谢 . 30 参考文献 . 31 附录 A 基于自由单摆的打靶控制系统设计实物图 . 32 附录 B 系统软件程序 . 34 毕业论文 - 前言 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 1国内外研究动态 中国使用单片机

10、的历史只有短短的 30 年，在初始的短短五年时间里 发展极为迅速。1986 年在上海 召开了全国首届单片机开发与应用交流会，很多地区还成立了单片微型计算机应用协会，那是全国形成的第一次高潮。单片机应用技术飞速发展，我们上因特网输入一个 “ 单片机 ” 的搜索，将会看到上万个介绍单片机的网站，这还不包括国外的。电子界，在2003 年 7 月， 91student 在上海、广州、北京等大城市所做的一次专业人才需求报告中，单片机人才的需求量位居第一。 这是因为单片机比专用处理器更适合应用于 嵌入式系统 ，它得到了最多的应用。 纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计

11、算机的网络通讯与数据传 输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能 IC 卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。 单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其 是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国 50 年代开发的 74 系列，或者 60 年 代的 CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大 PCB 板。但是如果要是用美国 70 年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别。只因为单片机的通过你编写的程序可 以实现高智能，高效率，以及高可靠性

12、。 由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言，因为单片机没有家用计算机那样的 CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序 里面即使只有一个按钮，也会达到几十 K 的尺寸。二十世纪跨越了三个 “ 电 ” 的时代，即电气时代、电子时代和电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称 PC 机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（也称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小

13、，通常都藏在被控机械的里面。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词 “智能型 ” ，如智能型洗衣机，智能型热水器等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功 能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。 目前的射击打靶训练 , 基本上是以实弹训练为主 , 此项的费用 , 开支巨大 , 而且传统的报靶方法是人工报靶

14、 , 带有很大的个人主观因素 , 可靠性、公正性差 , 效率也不高。因此必须研制一种切合部队实际的非实弹射击条件下进行射击精度训练的打靶训练器。随着激光器的出现 , 特别是半导体激光器的出现 , 以激光为光源的射击训练模拟器在上世纪 70 年代中期迅速发展起来。国外专家认为这种新型的部队训练模拟器材是部队训练器材的一次革命 , 是和平时期部 队训练的有效手段之一。一些发达国家 ,如美国、英国、德国等都在积极进行激光射击模拟训练器材的研制。 80 年代以来 , 我国也有单位在进行激光模拟训练器的研究和毕业论文 - 探索 , 但在可靠性和数据处理等方面尚有许多技术问题有待改进。本文设计的激光打靶系

15、统包括硬件和软件两部分 , 能精确的显示 510环的环数和八个方位 , 简单实用 , 既能保证训练的质量又能减少弹药的消耗 , 是理想的公安、军队等部门训练使用的模拟打靶系统。 毕业论文 - 第 1章 绪论 1.1系统框架设计总方案 本设计要求制作附着在自由摆上的平板控制系统，能够实现摆杆绕着转轴旋。主 要是要求用一支激光笔寻找离摆杆 150cm 处垂直放置的靶子上的中心线上，并且寻找的时间越短越好，误差也越小越好。系统组成的基本框图 如图 1-1 所示 图 1-1 系统组成基本框图 MC9S12XS1281.2系统组成模块方案 1.2.1控制器模块 方案一：采用 CPLD（如 EPM7128

16、LC84-15）作为核心运算控制器件。 CPLD 具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用 VHDL 语言进行编写开发。但 CPLD 在控制上较单片机有较大的劣势。而且开发成本比单片机高 。此外，该方案具有较大的局限性，如检测部分就要占用可编程逻辑器件的大部分资源，造成资源的浪费，而这一些对于相对较低档次的单片机来说都是很容易就能实现的。为了节约资源，综合性价比，该设计不采用该方案。 方案二： 采用 ATMEL 公司的 AT89C51。 51 系列单片机软件编程自由度大，可实现各种控制算法和逻辑控制，技术方面也相对成熟。 价格便宜，应用广泛， 但是 89C51 需外接模数转换器

17、来满足数据采样的要求，硬件接口复杂，高速 A/D 与低速单片机之间速度的不匹配，给编程带来一定的难题，也浪费 CPU 资源。 另外 51 单片机需要 仿真器来实现软硬件调试，较为烦琐。显示器显示 MC9S12XS128 微控制器 电机转动调整角度 激光打靶 角度传感器 摆杆摆动 毕业论文 - 最重要的是其运算速度比较慢，可能无法适应该设计，所以 该设计不采用该方案。 方案三：采用 MC9S12XS128 微控制器作为控制模块。 MC9S12XS128 系列产品满足了对设计灵活性和平台兼容性的需求，并在一系列电子平台上实现了可升级性、硬件和软件可重用性、以及兼容性。 S12XS 系列可以经济而又

18、兼容地扩展至带 XGate 协处理器的 S12XE 系列单片机，从而削减了成本，并缩小了封装。 CPU 最高总线速度 40MHz ，具有 64KB、 128KB 和 256KB 闪存选项，均带有错误校 正功能 ，带有 ECC 的 4KB 至 8KB DataFlash，用于实现数据或程序存储 ，可配置 8 、 10 或 12 位模数转换器（ ADC），转换时间 3 s ，带有 16-位计数器的、8-通道定时器 ，出色的 EMC 及运行和停止省电模式 。 根据题目的要求，结合我们组的成员对 MC9S12XS128 微控制器的运用相对熟练，考虑性价比，同时， MC9S12XS128 完全能够完成本

19、次设计的要求，所以我们选择了该方案。 1.2.2电机模块 电机模块的选择是整个系统的核心所在，按照设计的要求，电机需要对平板处在不同位置时进行相应角度 的转动，这需要很高的精确度，并且平板需要很高的制动性。 方案一：采用普通直流电机。 直流电机具有优良的调速特性 ,调速平滑、方便，调整范围广； 对驱动芯片要求低， 驱动简单而且工作稳定， 但是 直流电机的驱动电压与转速的关系受其负载影响很大，无法精确控制电机转数，并且误差将会进行叠加， 在控制精度上逊于步进电机。该设计不采用该方案。 方案二：采用步进电机。 步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力。如果负载不超过步进电机所能提供的动态转矩值，

20、就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著特点是转换精度高。正转反转控制 灵活。相比直流电机的工作方式，步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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。我们根据题目的要求选用了 两相混合式步进电机，两相步进角一般为 1.8，根据题目的要求，我们将信号细分和电流衰减，使其 步进角达到了 0.1，能够更好的运用在此系统中。 1.2.3 电机驱动方案 方案一：采用 双极性晶体管 D772、 D882 构成的电机驱动电路。该电路结构简单，容易制作，但其压降比较大，而且功耗也很大，而且该方案还不可以对其信号 细分和电流衰减，达到 减

21、震的目的 。所以本设计不采用该方案。 方案二：东芝公司的 TB6560AHQ 二项步进电机专用驱动芯片，与早期推出的 TB6560HQ芯片相比，其性能有较高的提高，输出电流可达 3.5A，采用该芯片的驱动板在电路上，结构上使用了可靠性设计，在普通散热方式的情况下可稳定的工作在 3A 电流。完全可以驱动本设计中的步进电机。同时该方案可以 将信号细分和电流衰减，实现 0.1步距，使得平台控制十分平稳。所以，采用该方案。 1.2.4角度传感器模块 角度传感器在这个系统中也起到了举足轻重的作用，反馈给控制模块的信息的准确 度直接影响到系统的精确性，以下我们提出了几种方案。 方案一：采用 ADXL345

22、 三轴传感器 ， ADXL345 非常适合移动设备应用。它可以在倾斜毕业论文 - 感测应用中测量静态重力加速度，还可以从运动或者振动中生成动态加速度。它的高分辨率（ 4mg/LSB）能够分辨仅为 0.25的倾角变化 ，但是由于本设计机械强度不够，影响三轴传感器采集到的数据的准确性。 所以本设计不采用该方案。 方案二：三轴传感器与 WDY32Z-1 角位移传感器结合。 WDY32Z-1 角位移传感器是根据转轴转动时输出端的电位会跟随着改变，单片机根据 A/D 转换后的信息对角度进行分析，灵敏度高。能够一定程度上弥补机械结构不稳定对三轴传感器数据采集的影响。但是两个角度传感器数据处理复杂，数据采集处理经常出现错误。 所以本设计不采用该方案。 方案三：采用 WDY32Z-1 角位移传感器。该传感器采集的数据稳定性很强，完全能够满足本设计的要求。 根据以上比较，综合低功耗、性价比，本设计选择方案三。 1.2.5电源模块 方案一：采用稳压芯片 LM7805 提供电源， LM7805 比较便宜并且比较稳定，单片机的电源由 LM7805 提供比较稳定。 方案二：采用集成多路输 出电源，一个集成块能提供多个电路的电源，电压稳定。不过集成多路输出电源价格比较贵，再说互相之间有干扰。