原创 [博客大赛]基于飞思卡尔单片机的平衡调整平台

本系统采用S12单片机作为承载平台平衡调整系统的控制核心，利用加速度传感器、步进电机、电动伸缩杆、12864液晶显示等实现角度检测，角度显示、平衡调节等功能来完成任务，角度的测量通过倾角传感器采集得到，通过单片机控制步进电机的旋转进而带动伸缩杆伸缩来调整平台的宽边水平，通过单片机控制舵机打脚进而带动平台旋转来调整平台长边水平。并同时用12864液晶显示显示出平台的长边、宽边（即Y轴、X轴）的倾角度数。

引言

由题目要求，设计并制作一个承载平台平衡调整系统，该承载平台由多条腿支撑，并能承受一定重量的载重，通过调整支撑腿的伸缩来调整平台的水平和倾斜。有如下设计思路：

首先，此平台可以自动调整自身的平衡和检测自身的水平与倾斜。因而平台的支撑腿必须可以调整伸缩从而达到调整平台的水平和倾斜。其次，支撑腿的伸缩须可以控制。可以采用电动机或步进电机作为支撑腿的驱动电机，再而通过调整驱动电机的旋转来带动支撑腿的伸缩。再次，平台的水平与倾斜必须能直观的检测出来，可以采用水平传感器或角度传感器来检测平台的水平与否，并将检测到的数据传送给单片机，以便单片机控制支撑腿的伸缩来调整平台的水平或倾斜。同时为了比较直观地观察倾斜的角度，可以采用单片机最小系统中的数码管或LCD液晶显示承载平台的倾斜角度。

由于该设计功能的实现可以自动调整自身的水平与倾斜，因而在我们日常生活，工业生产和更高领域中有较好的发展前景。该设计系统的实现，是通过调整支撑腿的伸缩来调整平台的水平和倾斜 ，因此平衡系统的调整是关键。

 

整体设计思路和基本方案

根据题目要求，系统可以划分为控制部分、信号检测部分和电源供电部分。其中控制部分包括：控制器模块，伸缩杆电机驱动模块，舵机打角模块，键盘模块，显示模块。信号检测部分采用：测角度传感器模块，共六个基本模块，模块框图如图所示。为了实现各模块的功能，分别做了几种不同设计方案并进行了论证。

各模块方案选择和论证

（1）控制器模块

根据题目要求，控制器主要用于倾角传感器信号的接收和辨认、控制伸缩杆的电机的动作、控制显示倾斜角度、控制芯片AD2543的数据转换。对于控制器模块，我们决定采用S12作为主控制芯片，该芯片有足够的存储空间，可以方便的在线ISP下载程序，能够满足该系统软件的需要，算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，采用该芯片可以比较灵活的选择各个模块控制芯片，有很好的实时性。

（2）电源模块

由于本系统需要电源供电，而且各个模块的正常工作电压都不相同，因此我们考虑了如下方案为系统供电：

采用12V给电机供电，使其正常工作。将12V电压经过7805芯片降压、稳压后，输出稳定的5V给电机的使能端和单片机供电。

     同时，我们使用7.2V蓄电池通过LM2940降压输出稳定的5V，给12864液晶显示和舵机供电。使用7.2V蓄电池通过LM1117降压输出稳定的3.3V，给无线模块和语音播报模块供电。

（3）测角度传感器模块

综合该设计系统的设计要求，测量平台的倾斜角度的传感器该系统采用水平传感器--双轴倾角传感器。

倾角传感器经常用于系统的水平测量,从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器,倾角传感器还可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。

（4）伸缩杆电机驱动模块

本系统通过控制伸缩杆的伸缩，来调整平台上升下降，从而达到维持承载平台平衡的目的。而伸缩杆的伸缩可以通过驱动电机来带动其运作，对于驱动电机的选择有如下方案：

采用步进电机驱动，步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，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。由于其转过的角度可以精确的定位，可以控制伸缩杆精确的运转，使用步进电机作为伸缩杆的驱动电机。

（5）显示模块

在承载平台平衡调整过程中，系统需要对平台长边和宽边倾斜的角度进行实时地显示。我们决定采用12864液晶显示实现此功能。

系统各模块选择的最终方案

经过仔细的分析和论证，决定了如下系统各模块选择的最终方案：

（1）    控制器模块：采用S12作为该系统的主控制芯片。

（2）    电源模块：采用7.2V降压转换成5V和3.3V供电。

（3）    测角度传感器模块：采用加速度传感器检测平台的倾斜角度。

（4）    伸缩杆电机驱动模块：采用步进电机作为平台支撑腿的驱动电机。

（5）    舵机打角模块：

（6）    显示模块：采用12864液晶显示。

系统的基本框图如图2.6所示。单片机S12主要用于控制平台伸缩杆的驱动电机的旋转来驱动伸缩杆的伸缩、舵机的打角和处理倾角传感器传送的信号，实现承载平台平衡调整、显示平台倾斜角度的功能。该系统具体工作过程为：

系统通电后开始工作，倾角传感器开始运行检测承载平台的水平与否，将检测到的数据传送到单片机；单片机将接收到的数据经过识别与判断，然后再控制驱动电机和舵机来调整平台平衡。同时将平台沿某一边倾斜的角度通过控制12864液晶显示进行实时显示。

系统主要单元模块设计

该设计系统是平台平衡调整和自动检测平台倾斜角度的综合设计，在设计中运用了检测技术，自动控制技术，模数转换技术。系统可分为控制部分和传感器检测部分。

控制部分：该系统中单片机通过接收倾角传感器检测到的信号判断承载平台的水平与否，当平台倾斜时，单片机控制步进电机旋转来驱动伸缩杆的伸缩，单片机控制舵机的打脚来带动平台的旋转，从而调节平台的平衡。同时，单片机将倾角传感器传送来的数据转换为数字量角度，并通过控制12864液晶实现显示。控制部分由单片机控制电路、步进电机驱动伸缩杆电路和液晶动态显示电路组成。

传感器检测部分：该系统采用加速度传感器检测承载平台的倾斜度，并将数据传送给S12，转化为可被控制器件识别的电信号。传感器检测部分主要由接、加速度传感器检测电路构成。

主要单元模块设计 

（1）单片机控制电路的设计

单片机接收从加速度传感器检测电路输入的逻辑信号和脉冲信号，并将输入的信号进行处理运算，以控制电压的形式输出给被控制的单元电路，完成各项任务要求。

单片机S12外接显示电路，传感器测量电路和步进电机驱动电路，其中传感器测量电路是信号输入，显示电路和步进电机驱动电路是信号输出。为了方便单片机引脚的使用，我们将单片机的所用引脚用接口引出。

通过加速度传感器对平台的倾斜与否、倾斜大小进行检测，单片机S12完成步进电机的伸长缩短等功能。

（2）12864液晶动态显示电路的设计

在本系统中采用动态显示方式驱动12864液晶动态显示，12864液晶动态显示用来显示X轴和Y轴的倾斜角度。

传感器部分的单元电路设计

题目要求平台沿宽边或长边倾斜时，能检测到平台宽边或长边的倾角，并显示出来，系统需要将平台的状态及时的以电信号的形式反馈到控制部分，控制部分控制步进电机带动伸缩杆使平台趋向水平，保持平衡。

在本设计中采用了一个加速度传感器安装于平台的背面，当平台沿宽边倾斜时，传感器X轴方向上的采样的电压值发生变化，经转换后，显示为X轴方向上角度的变化，单片机接收到该信号后，控制舵机打脚，使平台趋于平衡；当平台沿长边倾斜时，传感器Y轴方向上的采用的电压值发生变化，经转换后，显示为Y轴方向上角度的变化，单片机接收该信号后，控制步进电机转动，是平台趋于稳定；当平台沿任意方向上倾斜时，传感器X轴、Y轴方向上采用的电压值都将发生变化，单片机接收该信号后，控制步进电机转动和舵机打脚，使平台趋于水平。

系统的软件设计

加速度传感器子程序主要用于测量承载平台倾斜角度，加速度传感器附于承载平台的背面，平台水平时，传感器返回一个电信号——电压，经转换为角度值，平台倾斜时，传感器不停返回电信号，经转换，证明角度在不断变换。                                             

总结

本系统以单片机S12芯片为核心部件，利用加速度传感器检测，步进电机转动，舵机打脚，伸缩杆伸缩技术并配合一套独特的软件算法实现了加速度传感器检测角度，步进电机自动转动，伸缩杆伸缩，液晶显示角度，重物承载等功能，最终使承载平台完成竞赛题目中要求的各项任务。在系统的设计过程中，力求硬件线路简单，充分发挥软件编程方便灵活的特点，来满足系统设计要求。因为时间有限，该系统还有许多值得改进的地方：倾角传感器的测试精度，平台的承重能力，步进电机的转速调节等等。

在本次设计过程中，遇到了许多突发事件和各种困难，设计制作曾一度停滞，但通过仔细分析和自我状态调整后解决了问题。在这过程中我们深刻体会到共同协作好团队精神的重要性，极大提高了自己的动手能力。也让我们有了更明确的方向，使自己成为专业性人才。