一、任务
设计并制作一个自由摆上的平板控制系统，其结构如图 1 所示。摆杆的一端通过转轴固定在一支架上，另一端固定安装一台电机，平板固定在电机转轴上；当摆杆如图 2 摆动时，驱动电机可以控制平板转动。
二、要求
1．基本要求
（1）控制电机使平板可以随着摆杆的摆动而旋转（3~5 周），摆杆摆一个周期，平板旋转一周（360º），偏差绝对值不大于 45°。
（2）在平板上粘贴一张画有一组间距为 1cm 平行线的打印纸。用手推动摆杆至一个角度θ（θ在 30º～45º间），调整平板角度，在平板中心稳定放置一枚 1 元硬币（人民币）；启动后放开摆杆让其自由摆动。在摆杆摆动过程中，要求控制平板状态，使硬币在 5 个摆动周期中不从平板上滑落，并尽量少滑离平板的中心位置。
（3）用手推动摆杆至一个角度θ（θ在 45º～60º间），调整平板角度，在平板中心稳定叠放 8 枚 1 元硬币，见图 2；启动后放开摆杆让其自由摆动。在摆杆摆动过程中，要求控制平板状态使硬币在摆杆的 5 个摆动周期中不从平板上滑落，并保持叠放状态。根据平板上非保持叠放状态及滑落的硬币数计算成绩。
2．发挥部分
（1）如图 3 所示，在平板上固定一激光笔，光斑照射在距摆杆 150cm 距离处垂直放置的靶子上。摆杆垂直静止且平板处于水平时，调节靶子高度，使光斑照射在靶纸的某一条线上，标识此线为中心线。用手推动摆杆至一个角度θ（θ在 30º～60º间），启动后，系统应在 15 秒钟内控制平板尽量使激光笔照射在中心线上（偏差绝对值＜1cm），完成时以 LED 指示。根据光斑偏离中心线的距离计算成绩，超时则视为失败。
（2）在上述过程完成后，调整平板，使激光笔照射到中心线上（可人工协助）。启动后放开让摆杆自由摆动；摆动过程中尽量使激光笔光斑始终瞄准照射在靶纸的中心线上，根据光斑偏离中心线的距离计算成绩。
（3）其他。
三、说明
1．摆杆可以采用木质、金属、塑料等硬质材料；摆杆长度（固定转轴至电机轴的距离）为 100 cm±5cm；摆杆通过转轴固定在支架或横梁上，并能够灵活摆动；将摆杆推起至θ=30º处释放后,摆杆至少可以自由摆动 7 个周期以上。摆杆不得受重力以外的任何外力控制。
2．平板的状态只能受电机控制。平板的长宽尺寸为 10cm×6cm，可以采用较轻的硬质材料；不得有磁性；表面必须为光滑的硬质平面；不得有凸起的边沿；倾斜一定角度时硬币须能滑落。平板承载重量不小于 100g。
3．摆动周期的定义：摆杆被释放至下一次摆动到同侧最高点。
4．摆杆与平板部分电路可以用软质导线连接，但必须不影响摆杆的自由摆动。
5．在完成基本要求部分工作时，需在平板上铺设一张如图 4 所示画有一组间距为 1cm 平行线的打印纸（10cm×6cm），平行线与电机转轴平行。
6．非保持叠放状态硬币数为接触平板硬币数减 1。接触平板硬币数的定义参见图 5。
7． 在完成发挥部分工作时，需要在平板上固定安装一激光笔。激光笔的照射方向垂直于电机转轴。激光笔的光斑直径不大于 5mm。需在距摆杆 150cm处设置一高度可以调整的目标靶子，靶子上粘贴靶纸（A4 打印纸），靶纸上画一组间距为 1cm 的水平平行线。测试现场提供靶子，也可自带。
8．题目要求的各项工作中，凡涉及推动摆杆至某一位置并准备开始摆动时，允许手动操作启动工作，亦可自动启动工作。一旦摆杆开始自由摆动，不得再人为干预系统运行。
9．设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、主要测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序和完整的测试结果用附件给出。
GPT-4o给出的设计方案：
总体设计
设计一个能够精确控制平板旋转和倾斜角度的系统。该系统使用电动机来旋转和调整平板的角度，利用传感器进行角度反馈和精确控制，以达到要求的平衡和倾斜角度。
一、设计简论
- 稳定性：电动机通过传动机构控制平板旋转，通过角度传感器实时监测平板的位置，使控制系统能够精确调整角度。
- 精准性：控制系统能使平板保持在预定的角度，并能快速响应调整要求。
- 安全性：系统能在操作期间维持平板稳定，防止平板滑落和倾翻。
二、重要指标分析
- 平板旋转速度：控制电机使平板每次旋转速度在3-5秒内完成一周。
- 平板倾斜角度：平板倾斜角度可调，且绝对误差不超过±45°。
- 控制精度：通过角度传感器反馈，控制系统能精确检测和调整角度误差在±1°以内。
- 控制响应时间：控制系统能快速响应传感器的反馈信号并进行调整。
三、电路原理图设计要点
-
电动机驱动电路：
- 电动机采用PWM控制，确保平板旋转时的速度和稳定性。
- 使用H桥电路控制电动机的正反转。
-
角度传感器电路：
- 使用高精度陀螺仪或加速度传感器实时检测平板倾斜角度。
- 传感器输出模拟信号，通过ADC转换后送入MCU进行处理。
-
控制电路：
- 使用MCU（如STM32系列）接收角度传感器的数据并控制电机。
- 包含用户输入（如启动按钮）和反馈显示（如LED指示灯）。
四、核心器件设计要点
-
电动机（如无刷直流电机）：
- 具有足够扭矩和快速响应特性，确保平板调整的平顺和迅速。
- 支持PWM调速功能。
-
H桥电机驱动模块（如L298N或L293D）：
- 允许通过PWM信号控制电动机的正反转和速度。
- 电流驱动能力要匹配电动机的要求。
-
角度传感器（如MPU-6050或ADXL345）：
- 高精度，能够实时检测平板角度变化。
- 具备I2C或SPI接口，方便与MCU连接。
-
MCU（如STM32F103C8T6）：
- 具备足够的IO接口，支持传感器及电动机控制。
- 处理速度快，能实时响应传感器数据并控制电机动作。
五、MCU重要功能的C代码
以下示例代码用于STM32系列MCU，实现角度检测与电动机控制：
#include "stm32f4xx.h"
#include "mpu6050.h"
#include "motor_driver.h"
#define TARGET_ANGLE 0 // 目标角度0度
#define ANGLE_THRESHOLD 1 // 角度阈值1度
void SystemClock_Config(void);
void GPIO_Config(void);
void Motor_Control(int angle, int target);
int main(void) {
HAL_Init();
SystemClock_Config();
GPIO_Config();
MPU6050_Init();
Motor_Init();
while (1) {
int angle = MPU6050_Get_Angle();
if (abs(angle - TARGET_ANGLE) > ANGLE_THRESHOLD) {
Motor_Control(angle, TARGET_ANGLE);
}
HAL_Delay(100);
}
}
void SystemClock_Config(void) {
// 系统时钟配置
}
void GPIO_Config(void) {
// GPIO配置
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}
void Motor_Control(int angle, int target) {
if (angle > target) {
Motor_Drive(FORWARD, angle - target);
} else if (angle < target) {
Motor_Drive(REVERSE, target - angle);
} else {
Motor_Stop();
}
}通过上述设计方案，实现了该系统对于平板的控制和角度调整功能，能够稳定、快速地响应，并满足设计要求。
本题考察的主要知识点：
- 电动机控制：了解PWM控制方式，能够精确控制电动机的转速和旋转方向。
- 传感器数据处理：使用角度传感器（如陀螺仪、加速度计）实时采集平板的倾斜角度数据，通过ADC将模拟信号转换为数字信号，进行信号处理和数据读取。
- 控制系统设计：应用PID控制算法对平板角度进行精确调整，保证系统控制的稳定性和响应速度。
- 嵌入式系统编程：使用MCU（如STM32）进行硬件控制和传感器数据处理编程，包括GPIO初始化、PWM控制、电动机驱动、I2C通信等相关编程技术。
- 电路设计：设计电动机驱动电路，包括H桥电路和控制电路的设计，确保电动机的顺利工作。
- 系统集成与调试：将各模块集成为完整系统，包括硬件调试和软件调试，确保系统稳定运行和实现任务功能。
