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2016年电子设计大赛省赛一等奖论文
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更新于2023-05-30
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2016年吉林省控制题,四电机悬挂系统。悬吊控制系统以 STC15F2K60S2单片机为核心,采用的 LCD1602液晶显示模块和按键模块满足在各个题目要求的切换,便于用户选择距离和模式。 用陀螺仪测量圆锥与 X.Y.Z 轴所成角, 模块 L298N 调节四个电机的转动方向和转速,从而控制四根细绳控制圆盘到达规定的位置。 对于左右移动的要求,取多个采样点利用MATLAB 曲线拟合的方法,确定距离和角度的关系。 对于发挥要求,利用李萨如图形,用 X, Y 轴运动合成的方法画直线和圆。对于画梯形的要求,则取若干多个点,采用查表的方法规定光点的位置
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2016 年吉林省大学生电子设计竞赛
多电机悬吊控制系统(G 题)
【本科组】
2016 年 8 月 30 日

I
摘 要
悬吊控制系统以 STC15F2K60S2单片机为核心,采用的 LCD1602液晶显示模块
和按键模块满足在各个题目要求的切换,便于用户选择距离和模式。用陀螺仪测
量圆锥与 X.Y.Z 轴所成角,模块 L298N 调节四个电机的转动方向和转速,从而控
制四根细绳控制圆盘到达规定的位置。对于左右移动的要求,取多个采样点利用
MATLAB 曲线拟合的方法,确定距离和角度的关系。对于发挥要求,利用李萨如
图形,用 X,Y 轴运动合成的方法画直线和圆。对于画梯形的要求,则取若干多
个点,采用查表的方法规定光点的位置。
关键词: PID 算法;角度传感器;超声波距离传感器;李萨如图形

II
目 录
1 系统方案 ................................................................... 1
1.1、液晶显示模块的论证与选择 .......................................................................................... 1
1.2、主控部件的论证与选择 .................................................................................................. 1
1.3 测距模块的论证与选择 .................................................................................................... 2
1.4 控制系统的论证与选择 .................................................................................................... 2
2 系统理论分析与计算 ......................................................... 2
2.1 多电机悬吊控制系统的分析 .......................................................................................... 2
2.1.1 圆板的受力分析 ..................................................................................................... 2
2.1.2 圆板偏移的分析 ..................................................................................................... 3
2.1.3 圆板画圆分析 ......................................................................................................... 3
2.2 圆板运动的计算 ................................................................................................................ 3
2.2.1 圆板左右移动的拟合 ............................................................................................. 3
2.3 系统参数的计算 ................................................................................................................. 4
2.3.1 超声波测距模块参数计算 ..................................................................................... 4
3 电路与程序设计 ............................................................. 4
3.1 电路的设计 ......................................................................................................................... 4
3.1.1 系统总体框图 .......................................................................................................... 4
3.1.2 人机交互子系统框图与电路原理图 ..................................................................... 4
3.1.3 传感器子系统框图与电路原理图 ......................................................................... 5
3.1.4 步进电机驱动子系统框图与电路原理图 .............................................................. 5
3.1.5 单片机各引脚连接图 .............................................................................................. 6
3.1.6 电源 .......................................................................................................................... 6
3.2 程序的设计 ......................................................................................................................... 6
3.2.1 程序功能描述与设计思路 ...................................................................................... 6
3.2.2 程序流程图 .............................................................................................................. 6
4 测试方案与测试结果 ......................................................... 7
4.1 测试方案 ............................................................................................................................. 7
4.2 测试条件与仪器 ................................................................................................................ 7
4.3 测试结果及分析 ................................................................................................................ 8
4.3.1 测试结果(数据) ....................................................................................................... 8
4.3.2 测试分析与结论 ...................................................................................................... 8
附录 1:电路原理图 ........................................................... 9
附录 2:源程序 .............................................................. 10

1
多电机悬吊控制系统(G 题)
【本科组】
1 系统方案
本系统主要由液晶显示模块、步进电机控制模块、传感器模块、电源模块组成,下面分别论证
这几个模块的选择。
1.1、液晶显示模块的论证与选择
方案一:采用 LCD12864 模块。
LCD 即液晶显示器,是一种数字显示技术,可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源,在平
面面板上产生图象。与传统的阴极射线管(CRT)相比,LCD 占用空间小,低功耗,低
辐射,无闪烁,降低视觉疲劳。LCD12864 具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多
其它显示器无法比拟的优点,LCD 不仅可以显示字符、数字,还可以显示各种图形、曲
线及汉字。
方案二:采用 LCD1602 模块。
LCD1602 是字符型液晶,显示字母和数字比较方便,控制简单,成本较低,且占用空间
较小。
综合以上两种方案,选择方案二。
1.2、主控部件的论证与选择
方案一:AT89S51。采用 AT89S52 单片机作为主控制器。AT89S52 是一个超低功耗,标
准 51 系列单片机相比较具有运算速度快,抗干扰能力强,支持 ISP 在线编程,片内含
8k 空间的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读存储器,具有 256 bytes 的随机存取数据存储
器(RAM), 32 个 I/O 口,2 个 16 位可编程定时计数器。其指令系统和传统的 8051 系
列单片机指令系统兼容,降低了系统软件设计的难度。但是由于运行速度慢,I/O 口功
能少,不符合设计要求。
方案二:AVR 单片机。AVR 单片机技术体现了单片机集多种器件(包括 FLASH 程序存
储器、看门狗、EEPROM、同/异步串行口、TWI、SPI、A/D 模数转换器、定时器/计数
器等)和多种功能于一身。AVR 单片机是 1997 年由 ATMEL 公司研发出的增强型内置
Flash 的 RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精简指令集高速 8 位单片机。可以广泛应用
于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。但是
指令系统复杂,位操作不方便。
方案三:STC15F2K60S2。不需要外部晶振和外部复位,可省掉外部 EEPORM,利用 IAP
技术,大容量 2K 字节 SPRAM,双串口技术,高速十位 A/D 转换器,8 通道。并且高
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