基于自由摆的平板控
制系统
队员：鲁绍万、沈凡皓、李学道
一、题目
?2011年全国大学生电子设
计大赛的B题是“基于自由摆的
平板控制系统”；题目要求设
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。
?图1
?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，见图一；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2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
?图2
?三、系统方案设计
?1、总体方案选择
?根据题目要求，摆杆在摆动时，方向不同，要求单片机做
出方向判断从而及时调整电机保证平板平衡。
?方案一：
?本方案就是在固定轴上装有微动开关，利用摆杆摆动时
的力拨动开关以解决该问题。优点是：机械装置，无需软件
方面的设计，一旦触发可靠性高。缺点：本身灵敏度不高，
在测试中常出现摆动力度太小无法开启开关的现象，影响程
序的执行。
?方案二：
?电位器滑动时电压随即变化，可以将角度的变化转化为
电压的数值，且两者是一一对应的，这里的电位器起到了角
度传感的作用。优点是：价格优廉。缺点：精度不够。
?方案三：
?采用增量旋转编码器实时采集自
由摆旋转角度及方向，由单片机
控制步进电机，使平板实时动态
平衡。优点：精度教高，便于控
制。缺点：成本相对较高。为达
到题目的要求，我们选用方案
三，系统结构图如图3
?图3
?2、传感器的选择
?方案一：
?采用加速度传感器加速度传感器采用模拟量输出，需
要放大电路及A/D完成角度的测量，由于在传输回路中模
拟信号易受干扰，测量结果容易产生误差，通过数字滤波
等技术虽然能够在一定程度上消除干扰造成的误差，但是，
滤波运算增加了CPU的负荷。
?方案二：
?采用电位器作为角度传感器自由摆系统的角度测量也
可采用可变电阻器。精密的可变电阻器具易获得、价格低
廉、重复性高