基于单片机的平衡臂控制系统设计.docx
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基于单片机的平衡臂控制系统设计.docx
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基于单片机的平衡臂控制系统设计
分类号:
TP301.6UDC:
D10621-408-(2012)2480–0
密级:
公开编号:
2008071069
基于单片机的平衡臂控制系统设计
论文作者姓名:
申请学位专业:
测控技术与仪器
申请学位类别:
工学学士
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论文提交日期:
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日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
基于单片机的平衡臂控制系统设计
摘要
当在平衡臂的一端放置重物时,平衡臂必然会向挂有重物的一端倾斜。
为使得平衡臂重新达到平衡状态,就要在平衡臂的另一端相应位置施以力度,即杠杆原理,本设计正是用了该原理来达到平衡臂的平衡。
该设计中选用的单片机是12C5A60S2,单片机内含8路高速10位A/D转换,另外电机的驱动芯片选择的是ULN2003。
电机的端子嵌在螺旋传动机构中,点击转动时螺杆会跟着旋转,若固定电机,螺杆转动时螺母就会相应的前后移动,当螺母与重物产生的力矩相同时,平衡臂即可达到平衡。
本文详细阐述了单片机和芯片ULN2003的内部结构,系统硬件电路和软件程序的设计及调试过程,同时给出了原理图、流程图等。
涵盖了从需求分析,系统设计,编程,原理图,PCB图以及最后的试验板焊制等产品开发的基本过程。
本设计对无人操作吊塔式起重机具有一定研究意义。
关键词:
平衡臂;单片机;电机;螺旋传动
DesignonControlSystemoftheBalanceArmBasedonMicrocontroller
Abstract
Whentheweightsplacedinoneendofthebalancearm,thebalancearmisboundtohangheavyobjectsontheoneendofthetilt.Makesthebalancearmtoreachequilibrium,itisnecessarytoimposetheintensityattheotherendofthecorrespondinglocationofthebalancearm.Andthisdesignisbasedonthisprinciple.Thedesignusestheprincipletoachievethebalanceofthebalancearm.
Inthisdesign,12C5A60S2microcontrollerandtheULN2003chipdrivemotorrotation.Motorscriptsendembeddedinthethread,screwrotatesthemotorrotation,Ifthefixedmotor,threadedrotarynutwillmove.NuthasacertainweightWhenthenuttomovetoacertaindistance,thebalancearmwillbebalance.Thispaperdescribestheinternalstructureofthesingle-chipandchipULN2003,andhardwarecircuitandsoftwaredesignanddebuggingprocess,anditgivestheschematics,flowcharts,etc.Itcoversfromrequirementsanalysis,systemdesign,programming,schematicdiagramPCBdiagramandthebasicprocessofproductdevelopmentintheexperimentalplateweldingsystem.Thisdesignhasacertainsignificancecranetowercraneunattendedoperation.
KeyWords:
balancearm;microcontrollerunit;electricmotor;screwdrive
论文总页数:
34页
1引言
1.1选题背景及意义
随着社会的不断进步,人们对生活条件的不断优化,人们对衣食住行的要求越来越高,高楼大厦不断平地而起。
而其中在建筑高楼大厦过程中塔式起重机有着不菲的贡献,可以说塔式起重机的生产和发展是人们提高效率节约经济的有效途径,塔式起重机越来越被人们熟知。
塔式起重机的金属结构不断被人们所了解,其中包括起重臂、前臂拉杆、塔帽、后壁拉杆、平衡臂、旋转塔身、上下转台、顶升套架、塔身、底架、基础等。
当前的塔式起重机多由人直接操作,过程中难免会发生一些不可抗因素,这存在这许多的安全隐患,若起重机能自动操作,根据重物的重量自行搬运,不但节省了人力,也避免了许多不可抗因素,确保了安全性[7]。
在日常的工作、学习、生活以及工农业的生产实践中,单片机的使用越来越广泛,贯穿始终,单片机的电路简单,容易调试,若是把单片机与吊塔结合起来对塔式起重机的发展有很大的作用,到时后工地上的吊塔都是自动运行,一方面提高了工作效率另一方面也降低了事故发生率虽然现在还不好找到适合大型塔式起重机的单片机,但假以时日,该研究方向肯定会对塔式起重机的发展有巨大的推动作用[1]。
1.2国内外同类研究概述
在生活中最常见的平衡臂的运用是作为运送物体的塔吊,塔吊是承受臂架拉绳及平衡臂拉绳传来的上部荷载,并通过回转塔架转台、承座等的结构部件式直接通过转台传递给塔身结构。
自升塔顶有截锥柱式、前倾或后倾截锥柱式、人字架式及斜撑架式。
凡是上回转塔机均需设平衡重,其功能是支承平衡重,用以构成设计上所要求的作用方面与起重力矩方向相反的平衡力矩。
除平衡重外,还常在其尾部装设起升机构。
起升机构之所以同平衡重一起安放在平衡臂尾端,一则可发挥部分配重作用,二则增大绳卷筒与塔尖导轮间的距离,以利钢丝绳的排绕并避免发生乱绳现象。
平衡重的用量与平衡臂的长度成反比关系,而平衡臂长度与起重臂长度之间又存在一定比例关系。
平衡重的量相当可观,轻型塔机一般至少要3-4t,重型的要近30t。
我国的塔机行业于20世纪50年代开始起步,塔机在中国发展的比较快速,相对于中西欧国家由于建筑业疲软造成的塔机业的不景气,我国的塔机业正处于一个迅速的发展时期。
1.3本文研究内容
本文研究的是基于单片机的平衡臂控制系统,主要是对塔吊平衡进行模拟,通过单片机的方式实现其平衡。
根据此课题主要着手研究以下内容:
掌握平衡系统的基本构架,熟悉相关的硬件和软件知识,再结合实际需要设计出控制平衡臂达到平衡的硬件框架结构和软件设计流程。
其中硬件主要包括:
平衡臂、单片机、步进电机、螺杆、螺帽、变压器。
软件包括:
主程序、步进电机驱动模块、平衡判断模块。
按照本设计思路及方法即可制成一个具有自动实现平衡臂平衡的实际电路成品。
2总体方案设计
2.1方案比较论证
2.1.1方案一
本设计要求平衡臂自动达到平衡,实现平衡臂的平衡可通过多种方式实现。
根据设计要求,可以将舵机安放至平衡臂中心位置,通过舵机控制臂杆左右偏向从而实现平衡臂的两端平衡[9]。
2.1.2方案二
通过小车来控制平衡臂平衡,在平衡臂上端放置小车,最初时小车放在平衡臂正中央,平衡臂失去平衡时,为达到平衡,小车向着向上翘起的一段移动,小车靠电动马达驱动,马达与角度传感器相连,当角度传感器检测出平衡臂与水平面平衡时马达停止转动[10]。
2.1.3方案三
方案三采用的是杠杆原理,通过步进电机的转动带动螺旋传动机构,若固定步进电机,则螺杆在转动时在水平方向上就不会移动,螺杆一端镶嵌有螺母,螺杆转动时,螺母就会移动,当两边力矩相同时,平衡臂即可达到平衡[5]。
2.1.4方案对比
方案一运用舵机,由于舵机控制臂杆左右的偏向是非线性控制,程序实现相对较为复杂,且舵机能够承受的力矩较小,其在平衡臂的应用的并不合适,故方案一不能采用。
案二需要平衡臂较宽,而且马达的动力必须比较高,平衡臂与小车轮胎之间的摩擦力也不可忽视,因为当平衡臂偏移过大小车很有可能无法向反方向运动而掉落,故方案二亦布恩那个采用。
在方案三中即使平衡臂偏移非常大,电机在旋转时仍然可以改变螺母的位置从而使平衡臂重新达到平衡,而且方案三电路整体设计简洁,软件编写也更为简单,制成硬件电路后更易于调试,所以最终采用方案三。
2.2系统框图
图1系统设计框图
2.3设计原理
设计当中把电机固定在平衡臂上的中央,把电机的端子嵌入进一个很长的螺杆中,因为电机被固定,螺杆又与端子相连,故电机在转动时螺杆只会转动而不会与平衡臂有仍和的相对位移,那么此时套在螺杆上的螺母就会因为螺杆的转动而或前或后的移动,螺母的移动改变了平衡臂的力矩,为使平衡臂平衡电机必须调整螺母的位置来使得平衡臂达到平衡,电机在杆倾斜时应该转动,平衡时应该停止是整个设计中至关重要的问题。
本次设计选用过的12C5A60S2芯片内含8路10位A/D转换,AD值变换范围是0~1024,通过实验室的开发板测得:
平衡臂在平衡时相应的AD值为890左右,由于AD值有波动范围,故设置当AD值在888~892范围内时,平衡臂达到平衡,电机停止转动。
当平衡角度对应的AD值不在888~892这一范围时电机相应的正转或反转直到平衡臂达到平衡为止。
由于每一个AD值都对应P1.0口上不同的电压,为了达到对应的电压值,设计当中巧妙的运用了一个划动电阻器来解决电压的分压。
平衡臂
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- 关 键 词:
- 基于 单片机 平衡 控制系统 设计