基于自由摆的平板控制系统
一、总体方案设计
1.主控系统选择
方案一：使用传统 51 单片机作为主控制器，价格低廉，但其运算速度慢，
片内资源少，存储容量小，难以实现复杂的算法。
方案二：使用 FPGA，CPLD 等大规模可编程逻辑控制器件，其时钟频率很高，
运算速度很快，但不适合于该题目。
方案三：使用基于 ARM Cortex-M3 内核的 EasyARM1138 单片机，它有 8 通
道 10 位 ADC，使用方便且低功耗。
方案比较：综合比较，选择方案三。
2.角度测量
方案一：使用双轴倾角传感器 SCA103T-D04，测量范围为±15 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 AD 采样电阻两端电压，计算得到角度。
方案三：使用 Angtron-RE-38-V-Lite 旋转编码器，角度测量范围为 0~360°，
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：对于方案一，虽然 SCA103T 精度较高，但它是基于加速度原理进
行测量，使用 SCA103T 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一阶惯
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，对于一般
的电位器，线性度较差，而对于线性度较好的电位器，如 22HP-10 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 AD 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。
3.电机选择
方案一：使用伺服电机作为执行元件，运行精确，能高速制动，惯量小，适
合闭环控制。
方案二：使用步进电机作为执行元件，由于步进电机是采用脉冲驱动，精度
较高，适合开环控制。
方案比较：对于方案一，虽然伺服电机性能良好，但价格较高。对于方案二，
步进电机可以通过 16 细分可以减弱低频振动，控制方便，开环性能良好，可以
适用于该设计。综合考虑，选择方案二。
4.松手检测
方案一：软件检测，用手推动摆杆至一定角度，通过 AD 采样测得，若程
序检测到开始减小，说明推动摆杆的手已经松开，步进电机可以开始调整平板
角度。
