简介：本资源为自由摆平板控制系统完整设计文档，面向参加电子设计竞赛或从事嵌入式运动控制学习的学生与工程师，帮助解决摆动过程中平板保持水平、硬币不掉落及激光笔定向打靶等动态平衡控制问题。压缩包内仅1个docx文件，约36KB，内容涵盖系统方案论证、硬件选型与软件实现思路。文档以STM32F103VET6为核心控制器，搭配TFT液晶显示、高精度WDD35D4导电塑料角位移传感器与四宏细分驱动器驱动的步进电机，详细比较了控制器、角度检测、电机及电源模块的多种备选方案，并给出摆架框架、检测系统与控制驱动系统三大部分的结构设计。读者可从中获取完整的赛题实现方案、关键器件选型依据、A/D采样与电机控制逻辑，以及性能、成本与实用性之间的权衡思路，适合作为嵌入式动态控制项目的参考范例。目前已有305人学习下载。
1. 自由摆平板控制系统：从硬币不掉到激光打靶的工程拆解
第一次看到“自由摆上的平板控制系统”这个题目，很多人会以为是个简单的平衡装置，实际动手才发现——摆杆在重力作用下做非线性摆动，平板还要在动态中保持水平，硬币不能滑落，激光笔还得精准命中靶心。这套基于 STM32F103VET6 的方案，核心就是用高精度 WDD35D4 导电塑料角位移传感器实时捕捉摆杆和平板的角度偏差，通过 A/D 采样回传给单片机，再由四宏细分驱动器驱动步进电机做反向补偿。它适合参加过电子设计竞赛的在校学生、做嵌入式控制入门的工程师，以及需要复现动态平衡平台的开发者。如果你正被“摆动中平板怎么稳、硬币怎么不掉、激光怎么不跑偏”这三个问题卡住，这份设计拆解能让你少走几晚通宵的弯路。
2. 硬件选型：为什么是 STM32F103VET6 + WDD35D4 + 步进电机
2.1 主控芯片的算力账：51 单片机为什么扛不住
自由摆系统的控制周期通常要求在 5ms 以内完成一次“采样—解算—输出”的闭环。摆杆摆动时，角度变化率在过零点附近最大，如果控制器算力不够，等你想明白该往哪转，平板已经歪到硬币滑出去了。
51 单片机的主频一般 12MHz 到 24MHz，单周期指令少，做一次带浮点的角度解算和步进脉冲规划，时间经常超过 10ms。STM32F103VET6 是 ARM Cortex-M3 内核，主频 72MHz，自带硬件除法器和 8 通道 10 位 ADC，做同样的解算加脉冲输出，余量足够再跑一个 TFT 刷新。选它不是为了“性能过剩”，而是给控制周期留出安全边界。
常见做法是：ADC 用规则通道扫描模式，配合 DMA 搬运，CPU 只读结果不做等待；步进脉冲用定时器 PWM 输出，改频率就是改转速，改占空比就是改细分步进的有效脉冲宽度。这两条路走通，控制周期能压到 2ms 以内。
2.2 角度传感器的选择：电位器、ADXL345 和 WDD35D4 的差别
角度检测是这套系统里最容易被低估的环节。普通电位器便宜，但线性度差，碳膜磨损后输出跳变，摆杆来回摆几十次，角度读数就开始飘。ADXL345 是加速度计，测的是重力分量，静态倾角还行，一旦摆杆有动态加速度，它分不清是倾斜还是运动产生的惯性力，数据直接变成“玄学”。
WDD35D4 是导电塑料角位移传感器，本质是精密电位器，但导电塑料膜层的线性度和耐磨性比碳膜高一个量级。它的输出是电阻分压，接一个稳定的参考电压，ADC 读到的电压和角度基本成线性。关键参数：独立线性度可达 0.1%，旋转寿命标称 5000 万次以上，工作温度范围覆盖一般实验室环境。
接线时注意：传感器两端接参考电压和地，中间抽头接 ADC 输入。参考电压必须和 STM32 的 ADC 参考源一致，否则算出来的角度会有固定偏差。我一般会在软件里做两点校准：摆杆垂直向下时记一个 ADC 值，水平时记另一个，用这两点算斜率和截距。
2.3 步进电机与细分驱动：开环控制够不够用
伺服电机闭环性能好，但价格高，调试门槛也高。步进电机开环控制，配合细分驱动器，在自由摆这个场景下精度够用。四宏细分驱动器把整步切成更多微步，比如 16 细分，原来一步 1.8°，现在一步 0.1125°，平板角度调整更细腻，低频振动也明显减弱。
步进电机的扭矩随转速上升而下降，选型时要看“矩频特性曲线”。摆杆摆动时，平板要克服的惯量不大，但要求响应快。常见做法是选 42 步进电机，保持扭矩 0.4N·m 左右，配 16 细分，脉冲频率在 5kHz 到 20kHz 之间调。脉冲频率太高，扭矩掉得厉害，平板反而跟不上；太低，调整动作一顿一顿的，硬币照样滑。
驱动器接线：PUL 接脉冲，DIR 接方向，ENA 接使能。STM32 这边用一个定时器输出 PUL，另一个 GPIO 控制 DIR。每次要调整平板角度时，先算目标角度和当前角度的差值，再算需要发多少个脉冲、方向是正还是反。
3. 控制逻辑落地：从 ADC 采样到步进脉冲的完整链路
3.1 角度采样与滤波：ADC 读回来怎么变成可信角度
ADC 读回来的原始值有噪声，直接拿来算控制量，步进电机会频繁正反转，平板抖得像筛糠。常见做法是：连续采样 8 次，去掉最大最小值，剩下 6 次取平均。这个滤波窗口不能太大，否则引入相位滞后，摆杆过零点时平板反应慢半拍。
// 角度采样与滑动平均滤波 #define SAMPLE_NUM 8 uint16_t adc_buf[SAMPLE_NUM]; uint16_t adc_filtered; uint16_t get_filtered_adc(void) { uint32_t sum = 0; uint16_t max = 0, min = 0xFFFF; for (int i = 0; i < SAMPLE_NUM; i++) { adc_buf[i] = ADC_GetConversionValue(ADC1); if (adc_buf[i] > max) max = adc_buf[i]; if (adc_buf[i] < min) min = adc_buf[i]; sum += adc_buf[i]; } // 去掉最大最小各一个，剩下取平均 sum = sum - max - min; adc_filtered = sum / (SAMPLE_NUM - 2); return adc_filtered; }这段代码的关键在SAMPLE_NUM和去掉极值的策略。8 次采样在 72MHz 主频下耗时不到 100μs，对控制周期影响可忽略。去掉最大最小是为了抑制偶发尖峰干扰，比如电机换向时电源波动耦合到传感器上。如果你发现滤波后角度还是跳，先查参考电压是否稳定，再查传感器抽头接线是否松动。
3.2 角度换算与目标偏差计算
ADC 值转角度需要两个校准点。假设摆杆垂直向下时 ADC 读数为adc_down，平板水平时 ADC 读数为adc_level，那么当前角度可以用线性映射算出来。但自由摆的平板目标角度不是固定值——题目要求硬币与平板保持相对静止，意味着平板要实时补偿摆杆的倾斜。
// 角度换算与偏差计算 float adc_to_angle(uint16_t adc_val) { // 两点校准：adc_down 对应 0°，adc_level 对应 90° float angle = (float)(adc_val - adc_down) * 90.0f / (adc_level - adc_down); return angle; } // 目标角度：平板需要转到的位置 // 摆杆角度为 swing_angle 时，平板应补偿到水平 float target_angle = 90.0f - swing_angle; // 具体公式按机械结构定 float current_angle = adc_to_angle(get_filtered_adc()); float error = target_angle - current_angle;这里的target_angle公式取决于摆杆和平板的机械连接方式。如果平板直接固定在摆杆末端，摆杆倾斜 θ，平板也倾斜 θ，要让它水平，就得反向转 θ。如果中间有减速机构，还要乘传动比。参数adc_down和adc_level必须实测，不能照抄别人的值，因为每个传感器的安装角度和机械零位都不一样。
3.3 步进电机脉冲生成：定时器怎么配
步进电机的转速由脉冲频率决定，转动角度由脉冲数量决定。STM32 的通用定时器可以输出 PWM，但步进电机需要的是“发完 N 个脉冲就停”，所以更常见的做法是用定时器更新中断，在中断里翻转 GPIO，同时计数。
// 步进电机脉冲生成（定时器中断方式） volatile int32_t step_remain = 0; // 剩余脉冲数，正负表示方向 volatile uint8_t step_pulse = 0; void TIM3_IRQHandler(void) { if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) { TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update); if (step_remain > 0) { step_pulse = !step_pulse; GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_6, step_pulse ? Bit_SET : Bit_RESET); if (step_pulse == 0) step_remain--; // 完整脉冲计数 } else if (step_remain < 0) { step_pulse = !step_pulse; GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_6, step_pulse ? Bit_SET : Bit_RESET); if (step_pulse == 0) step_remain++; } } } // 设置运动：脉冲数正负代表方向，频率决定速度 void move_steps(int32_t steps, uint16_t freq_hz) { // 设置方向引脚 if (steps > 0) GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_7); else GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_7); step_remain = steps; // 定时器频率 = 72MHz / (prescaler+1) / (period+1) // 要得到 freq_hz 的脉冲频率，period 对应半个周期 uint16_t period = 36000000 / freq_hz - 1; TIM_SetAutoreload(TIM3, period); TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); }step_remain用有符号数，正负区分方向，省掉一个方向变量。定时器中断频率是脉冲频率的两倍，因为每次中断翻转一次电平，一个完整脉冲需要两次翻转。period的计算里 36000000 是 72MHz 的一半，因为中断频率是脉冲频率的两倍。实际调试时，如果电机丢步，先降频率，再查驱动器细分设置和电流拨码。
4. 避坑与排查：调试自由摆系统时最容易翻车的五个点
4.1 现象：硬币在摆杆过零点附近滑落
原因：过零点时摆杆角速度最大，平板需要快速反向补偿，但步进电机从收到指令到实际转动有响应延迟，加上滤波引入的相位滞后，补偿动作慢了一拍。
解决：在过零点附近提前预判。用摆杆角速度乘以一个前馈系数，叠加到目标角度上。角速度可以通过相邻两次角度采样差分得到。前馈系数从小往大调，直到硬币不再滑落。注意前馈不能太大，否则平板会过冲，硬币往反方向滑。
4.2 现象：激光笔打靶时光斑在靶心附近画圈
原因：步进电机开环控制，每次调整都是“发脉冲—停—再发脉冲”，平板在目标角度附近来回振荡。细分驱动器虽然减小了单步角度，但没有位置反馈，振荡不会自动收敛。
解决：在控制量里加死区。当角度误差小于某个阈值（比如 0.5°）时，不发脉冲，让平板保持不动。死区大小要实测：太小，振荡依旧；太大，激光偏出靶心。常见做法是死区取步进电机单步角度的一半左右。
4.3 现象：ADC 读数在电机转动时跳变
原因：电机驱动器的电源线和传感器信号线捆在一起走线，电机换向时电流突变，通过线间耦合干扰了传感器信号。或者电机和传感器共用一组电源，电机启动瞬间把电源电压拉低，ADC 参考电压跟着波动。
解决：传感器供电和电机供电分开走线，传感器用 L7805 单独稳压，电机用 LM2576 另一路。信号线远离电机线，最好双绞屏蔽。如果还跳，在 ADC 输入脚加一个 0.1μF 电容到地，硬件低通滤波。
4.4 现象：TFT 液晶刷新时控制周期变长
原因：TFT 刷新占用 SPI 或 FSMC 总线，如果刷新函数里用了阻塞延时，主循环被拖慢，步进脉冲更新不及时。
解决：TFT 刷新放在主循环空闲时做，不要放在定时器中断里。刷新频率降到 10Hz 到 20Hz 足够看，没必要 60Hz。如果用了 DMA 刷屏，确认 DMA 传输不占用控制定时器的中断优先级。
4.5 现象：步进电机发热严重甚至失步
原因：细分驱动器电流拨码设置过大，或者脉冲频率超过电机矩频特性的拐点，电机扭矩不够，转子跟不上脉冲，表现为失步和发热。
解决：先查驱动器电流拨码，按电机额定电流设置，一般 42 步进电机设 1.2A 到 1.5A。再查脉冲频率，如果超过 20kHz 还要求大扭矩，要么换电机，要么加减速机构。调试时用手摸电机外壳，温热正常，烫手就是电流大了。
5. 进阶技巧：用摆杆角速度做前馈补偿的实操细节
前馈补偿是让硬币在快速摆动中不掉的关键。原理不复杂：平板需要补偿的角度不仅取决于摆杆当前角度，还取决于摆杆角速度——角速度越大，平板需要提前转到的位置越超前。
具体实现：每 2ms 采一次角度，存到环形缓冲区。当前角度和上一次角度的差值除以采样周期，就是角速度的近似值。前馈量 = 角速度 × 前馈系数。前馈系数通过实验确定：先把系数设为 0，慢慢增大摆幅直到硬币刚好要滑，记下此时的角度误差；然后逐步增大前馈系数，直到硬币在最大摆幅下也不滑。
// 前馈补偿实现 #define FEEDFORWARD_GAIN 0.15f // 前馈系数，实测调整 float angle_history[2] = {0}; float swing_velocity = 0; void update_feedforward(float current_angle) { // 差分求角速度 swing_velocity = (current_angle - angle_history[0]) / 0.002f; // 2ms 周期 angle_history[0] = current_angle; // 前馈量叠加到目标角度 float feedforward = swing_velocity * FEEDFORWARD_GAIN; target_angle += feedforward; }FEEDFORWARD_GAIN的单位是“度每度每秒”，物理意义是：摆杆每秒钟转 1°，平板额外补偿多少度。这个值取决于摆杆长度、平板惯量和电机响应速度，换一套机械结构就得重新调。我一般从 0.05 开始试，每次加 0.05，直到硬币在最大摆幅下稳定不滑，再往回退一点留余量。
验证前馈是否生效的方法：用激光笔打靶，观察光斑轨迹。没有前馈时，光斑在靶心附近画椭圆；加了合适的前馈，椭圆缩小成一个小点。如果光斑变成一条直线来回扫，说明前馈系数太大，平板过冲了。
还有一个细节：前馈补偿只在摆杆角速度较大时起作用，角速度接近零时前馈量也接近零，不会影响静态平衡。所以不用担心前馈把静态精度带偏。调试时先把静态平衡调好，再加前馈，顺序不能反。
从那以后我每次调这种动态补偿系统，都强制先跑一遍“纯比例控制 + 死区”，确认静态能稳住，再逐步加前馈和滤波。跳过这一步直接上复合控制，大概率是参数互相打架，调一天也调不出来。希望帮到你。
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