在2011年全国大学生电子设计竞赛中荣获国家级一等奖（B题），展现了卓越的电子设计能力和创新思维，在众多参赛队伍中脱颖而出。
### 基于自由摆的平板控制系统关键技术解析
#### 一、系统方案分析与选择
##### 1.1 控制器选用与控制系统方案选择
**控制器选用：**
本设计选择了STC89C51单片机作为核心控制器。这款单片机具有较高的集成度，包括8K字节的Flash存储器、256字节的RAM以及丰富的IO资源，支持两个数据指针和三个16位定时器计数器等特性。这些特点使得STC89C51单片机非常适合用于实时控制和数据处理任务。
**控制系统方案选择：**
- **方案一**：采用面包板搭建简易单片机系统，虽然灵活性较高但可靠性较低且连线复杂，不适合本设计。
- **方案二**：自制单片机印刷电路板，能够提高性能但耗时较长且成本较高，不适用于本设计。
- **方案三**：采用单片机最小系统，并包含显示、矩阵键盘、AD和DA等模块。此方法能简化外围电路设计并提升稳定性，因此被选为最佳方案。
##### 1.2 角度测量模块的论证与选择
**角度测量方案选择：**
- **方案一**：采用加速度传感器需要额外放大电路及AD转换，信号易受干扰且增加系统复杂性。
- **方案二**：使用电位器作为角度传感器价格低廉、分辨率高但输出为模拟信号需进行AD转换，增加了设计难度。
- **方案三**：选择增量式光电旋转编码器具有体积小、精度高等优点，并便于安装减少了硬件设计的复杂度。因此被选作最佳方案。
#### 二、系统理论分析与计算
##### 2.1 自由摆平板控制系统的分析
**自由摆平板系统模型建立：**
为了准确地控制平板的角度变化，首先需要构建自由摆平板系统的数学模型。这涉及到质量分布及物理特性等因素。通过该模型可以更精确预测运动状态，并设计有效的控制策略。
**角度测量原理分析：**
增量式光电旋转编码器利用检测脉冲数量来计算角度变化。具体而言，每转过一定角度会产生固定数目的脉冲，计数这些脉冲即可获得当前的旋转位置。
**平板角度的分析：**
精确调节平板的角度直接影响到硬币平衡和激光笔定位精度。通过实时监测自由摆的角度并结合步进电机控制可实现对平台角度的调整从而保持硬币稳定及减少偏移误差。
**角度测量计算方法：**
- **单位脉冲转过角度计算**：根据编码器脉冲数与旋转角度的比例关系，可以确定每个脉冲代表的角度变化。
- **编码器可行性分析**：通过最大分辨率和最小可检测角位移的计算验证其是否满足控制精度要求。
**步进电机模块论证**
- **节拍数与螺旋码盘输出脉冲之间的联系**：每次转动角度直接相关于脉冲数量，调整脉冲量可以精确地操控旋转。
- **空载启动频率分析**：评估最大空载启动频率确保在所需响应时间内达到预期速度。
#### 三、电路设计和程序编写
**电路的设计**
- **系统总体框图**：展示了各模块之间的连接关系以及单片机与其他部件的协作方式。
- **整体电路原理图**：详细描绘了元件间的连接，为实际制作提供了依据。
- **显示子系统的结构与工作原理介绍**。
**程序编写**
- **功能描述**: 程序主要实现角度测量、电机控制和结果展示等核心任务。
- **具体分析设计**: 详述中断服务程序、主循环框架及数据处理算法等方面的内容。
#### 四、测试方案及结果
**测试计划制定：**
详细规划了硬件检测、软件验证以及综合调试的步骤流程。
**所需设备与工具列表：**
列出所有用于执行测试所需的仪器和装置，确保准确无误地完成各项检验工作。
- **具体实施情况**: 通过严格的试验确认系统的稳定性和精确性，并根据数据反馈进行必要的优化调整。
#### 总结
回顾整个设计过程并总结出成功经验和不足之处。同时提出改进措施以提高未来项目的质量和效率。
#### 参考文献
列出在项目开发过程中参考的主要资料和技术规范，为后续研究提供理论依据和支持。
#### 附录
包括电路图、源代码和主要元器件清单等详细信息供读者进一步了解设计细节。
5星
