1、“.....平板应与摆杆始终保持垂直。 三激光照射模块正文 为自由摆，长度为，若逆时针旋转后位置为，如图所示。为了使激光笔照射 到中心线上，步进电机需要顺时针旋转角度，计算如 二方案设计与论证 三控制器模块 根据题目要求，控制器主要用于传感器信号的接收与辨认，控制电机转动，显示 实时角度等。对控制器的选择有以下几种方案正文 方案采用作为系统的控制器。可以实现各种复杂的逻辑功能， 规模大，密度高，它将所有器件集成在块芯片上，减小了体积，提高了稳定性， 并且可应用软件仿真调试，易于进行功能扩展。采用并行的输入输 出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。由检测 模块输出的信号并行输入，通过程序设计控制监控系统作出相应的动 作，但由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电 路板布线布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。 方案二采用公司的作为系统控制器的方案......”。

2、“.....看门 狗定时器,双数据指针,个位定时计数器,个两级中断源结构,以及掉电模 式下的自动保存功能，且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，但其运算速度还是有点欠缺，不能达到本系统的要求。 方案三采用。系列单片机是宏晶 科技生产的单时钟机器周期的单片机，是高速低功耗超强干扰的新 代单片机，指令代码完全兼容传统的，但速度快倍。内部集成 专用复位电路，路，个位定时器，个中断，路高速位 转换，即万次秒，针对电机控制，强干扰场合。并且由于其 功耗低体积小技术成熟和成本低，运用广泛市场上容易购买等优点，完全满 足本系统的要求。 方案选择基于以上分析，拟定方案三 四电机模块 方案直流电机使用方便，价格便宜，但运动精度低，难以实现精确的位置控 制。如用直流电机控制平板转动，将难以控制其精确位置，系统稳定性差，较难 达到题目的要求。 方案二步进电机的运动精度很高，可实现精确的步距角运动，由其组成的位置 控制系统定位准确......”。

3、“.....般可采用开环控制。虽然步进电机的控制系 统相对复杂，但与其驱动控制器匹配使用，控制起来也十分方便，可很容易的构 成数字位置控制系统，因此本系统的驱动元件采用了步进电机，由通过其驱 动控制器来控制。正文 基于以上分析，拟定方案二。 五电机驱动模块 电机的驱动电路主要通过电机的正转 和反转实现保持平板平衡的控制，以达到相 应的目的。对于电机驱动电路有下面几种方 案。 方案利用及电机 构成驱动电路。如图所示，如果单片机控 制口输出高电平，截止，截止，电机停止运转。单片机控制口输出 低电平时，导通，导通，电机开始运转。该电路比较简单，输出功 率足够大，足以推动电机工作，并且电机工作时三极管性能非常稳定。但该方 案中单片机部分和电机供电部分没有完全隔离，而电动机在切换时会产生巨大的 反电动势，经常烧坏单片机。 方案二利用 及 正文 方案自适应算法......”。

4、“.....它所遵循的途径 以数学模型表示，称为自适应算法。通常采用基于梯度的算法，其中最小均方误 差算法即算法尤为常用。自适应算法可以用硬件处理电路或软件程 序控制两种办法实现。前者依据算法的数学模型设计电路，后者则将算法的数 学模型编制成程序并用计算机实现。算法有很多种，它的选择很重要，它决定处 理系统的性能质量和可行性。单片机读取传感器采集来的与水平方向上的角度 偏差，旦出现偏差则控制电机往相应的反方向运转，直至角度偏差趋于零。但 由于该系统角度偏差变化太快，自适应算法调节方式难以达到系统要求。 方案二算法。在过程控制中，按偏差的比例积分和微分 进行控制的控制器亦称调节器是应用最为广泛的种自动控制器。 它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互，参数的选定比较简 单等优点而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象阶滞后 纯滞后与二阶滞后纯滞后的控制对象，控制器是种最优控制。 调节规律是连续系统动态品质校正的种有效方法，它的参数整定方式简便......”。

5、“..... 基于以上分析，拟定方案二。 八角度测量 方案使用双轴倾角传感器，测量范围为度，可适用于 垂直方向的各种角度的测量。 方案二使用电位器作为角度传感器，由于不同角度输出的电阻值不同，通过 采样电阻两端电压，计算得到角度。 方案三使用旋转编码器，角度测量范围为， 根据不同角度，可直接输出不同的电压值，线性度好。 方案比较对于方案，虽然精度较高，但它是基于加速度原理进行 测量，使用进行倾角检测时，应保证被测设备匀速运动，否则会引进 误差，而在自由摆系统中，平板不是匀速运动。虽然可以采用峰值滤波和阶惯 性滤波相结合的方式通过软件编程进行处理，但较繁琐。对于方案二，对于般 的电位器，线性度较差，而对于线性度较好的电位器，如等，价格较 高。对于方案三，使用该旋转编码器，可以直接对输出电压进行采样，计算 得出角度值，使用方便。综合考虑，选择方案三测量自由摆运动过程中的摆角 松手检测 方案软件检测，用手推动摆杆至定角度，通过采样测得，若程序检测 到开始减小......”。

6、“.....步进电机可以开始调整平板角度。正文 方案二硬件检测，使用红外收发管，若检测到下降沿，说明推动摆杆的手已经 离开，程序可以开始相应的控制。 方案比较对于方案，针对自由摆进行运动分析，易知自由摆在较高点处速度 较小，导致采样检测到减小时，距离手松开已经过去了段时间，通过程序 补偿该延迟的算法较麻烦，较难实现。对于方案二，经硬件检测，延迟很小，步 进电机可以及时做出反应，且实现较方便。综合考虑，选择方案二。 系统硬件设计 九单元电路设计 十单片机最小系统 本系统控制器模块的主要功能是，单片机接收从角度传感器检测来的信号， 和按键控制电路输入的电平信号，并将输入的信号进行处理运算，以控制 的显示和电机的转动，从何控制平板的转动。该系统结构简单，因 此运用单片机的最小系统就能完成各项要求。下图为单片机最小系统的电路 图 正文 图最小系统 电机驱动 是种二相四相步电机的专用驱动器，内含两个的高电 压大电流双桥式驱动器......”。

7、“.....接收输入控 制电位来控制电机旋转。驱动电路如图所示 十供电电源 供电电源采用集成稳压器，电路图中，稳压器输入端的电容为输入端 滤波电容，输出端的电容为输出端滤波电容家用电经过变压器接入供电 电源模块，能输出直流电压。供电电源如图所示。 电机驱动电路图摘要 自由摆平板控制系统 摘要 摘要该系统采用单片机作为控制系统的核心以步进电机控制 平板转动，以作为电机驱动芯片以芯片模块为角度传感器，采 集平板的倾斜角度，并用液晶显示屏显示出来。然后单片机根据所采集来 的角度变化，采用自适应算法算出平板应该转动的角度，使平板的倾斜角度刚好 满足平板对硬币的作用力支持力和摩擦力在水平方向上的分量刚好提供硬币 的横向加速度所须的力。继而根据电机的步距脚，精确地控制步 进电机转动相应的步数。该系统布局合理，理论可行，实际运行较为平稳，控制 精度较高，部分达到了题目基本部分的要求......”。

8、“.....控制电机使平板 可以随着摆杆的摆动而旋转周，摆杆摆个周期，平板旋转周。在平 板上摆放枚和八枚硬币，枚硬币时用手堆动摆杆至个角度到， 八枚硬币时，用手堆动摆杆至个角度到启动系统后，让其自由 摆动，在五个周期内，不让平板上的硬币掉下来。 二发挥部分要求在平板上固定激光笔，光斑照射在距摆杆处的靶纸 上，摆杆垂直且平行于水平时，调节靶纸的高度，使光斑照射在条水平线上， 用手堆动摆杆至个角度到，启动系统后摆杆静止时，在内控 制平板尽量使激光笔照射在中心线上，完成时以指示。启动系统后摆杆运动 时，使光斑始终照射在靶纸的中心线上。 三由于本题摆杆做的是自由摆运动，要控制硬币的平衡就要对硬币进行受力分析，找出硬 币的平衡条件，所以找到受力平衡条件与摆杆角度之间的关系，根据测得的摆杆角度，控制 平板转动，从而使硬币保持平衡。在发挥部分中，平板运动会带动激光笔运动，只要求得激 光笔转动的角度与摆杆角度之间的关系......”。

9、“.....在整个闭环系统中， 平板运动通过算法控制，使系统能够更好得达到各项指标。 理论分析与计算 平板状态测量 初始时，平板与摆杆垂直，如图所示。逆时针移动摆杆，由旋转编码器可以测得摆杆与垂 直的角度，由按键逐步调整平板角度，由控制器予以记录，平板顺时针转动了，此时平板与水平 面夹角为。 二自由摆运动周期分析 对于理想单摆，当角很小时，单摆的周期，但该设计中，起始摆角范围为，该公式不 再适用，故采用经验建模，求取拟合曲线。 分别选取作为起始摆角，用示波器记录自由摆运动个周期所用的时间，如表所示 表 起始摆角 时间 使用进行拟合，如图所示正文 二 三图不同起始摆角下自由摆运动周所用时间 ，其中为起始摆角，为自由摆运动个周期所用时间。 四自由摆从自然下垂状态逆时针摆动后到达处，如图所示。 五假设平板与水平面夹角为，做辅助线， 六对平板上的枚硬币进行受力分析，易知，由于硬币摩擦系数极小，摩擦力忽略不计。 七由于整个平板沿方向的加速度为......”。