1、基于单片机的平衡臂控制系统设计分类号：TP301.6 U D C：D10621-408-(2012)24800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：工学学士指导教师姓名（职称）：论文提交日期：毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做
2、出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人
3、或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 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
4、，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
5、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Design on Control System of the Balance Arm Based on MicrocontrollerAbstractWhen the weights placed in one end of the balance arm, the balance arm is bound to hang heavy objects on the one end of the tilt. Makes the balance arm to reach
6、equilibrium, it is necessary to impose the intensity at the other end of the corresponding location of the balance arm. And this design is based on this principle. The design uses the principle to achieve the balance of the balance arm.In this design, 12C5A60S2 microcontroller and the ULN2003 chip d
7、rive motor rotation. Motor scripts end embedded in the thread, screw rotates the motor rotation, If the fixed motor, threaded rotary nut will move. Nut has a certain weight When the nut to move to a certain distance, the balance arm will be balance. This paper describes the internal structure of the
8、 single-chip and chip ULN2003, and hardware circuit and software design and debugging process, and it gives the schematics, flowcharts, etc. It covers from requirements analysis, system design, programming, schematic diagram PCB diagram and the basic process of product development in the experimenta
9、l plate welding system. This design has a certain significance crane tower crane unattended operation. Key Words: balance arm; microcontroller unit; electric motor; screw drive 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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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01024，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888892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888892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
