簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置

1、此處貼密封紙，然后掀起并折向報告背面，最后用膠水在后面粘牢。2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置（c題）2013年9月7日iii摘 要 倒立擺控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的、不穩(wěn)定的、非線性系統(tǒng)。本組旋轉(zhuǎn)倒立擺裝置主要由底座、銅柱、支架、減速電機(jī)、%0.5電位器、stc12c5s60a2單片機(jī)開發(fā)板、12864液晶顯示器、uln2803電機(jī)驅(qū)動器、5v穩(wěn)壓、11.4v電池組成。減速電機(jī)通過聯(lián)軸器連接旋轉(zhuǎn)臂一端，旋轉(zhuǎn)臂另一端連接電位器，電位器主軸與硬質(zhì)擺桿連接，通過電機(jī)使得旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動從而使得旋轉(zhuǎn)臂另一端的硬質(zhì)擺桿獲得一個離心力在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，單片機(jī)的運算速度快，通過電位器獲取硬質(zhì)擺桿的

2、擺動角度，通過pid算法提前矯正硬質(zhì)擺桿的傾斜度從而使得硬質(zhì)擺桿保持倒立目 錄1系統(tǒng)方案11.1 單片機(jī)的論證與選擇11.2 電機(jī)的論證與選擇11.3 控制系統(tǒng)的論證與選擇11.4電機(jī)參數(shù)12系統(tǒng)理論分析與計算22.1 電路的分析的分析22.3程序的設(shè)計 。 4 2.4 pid的設(shè)計 53電路與程序設(shè)計63.1電路的設(shè)計64測試方案與測試結(jié)果74.1測試方案74.2 測試條件與儀器84.3 測試結(jié)果及分析9附錄2：源程序6簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置（c題）【xx組】1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由stc12單片機(jī)模塊、l298n電機(jī)驅(qū)動模塊、電位器ad轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。

3、1.1 電機(jī)的論證與選擇方案一：步進(jìn)電機(jī)。由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度不夠快而且容易失步產(chǎn)生不能左右擺動的效果所以方案一不行。方案二：舵機(jī)。由于舵機(jī)不能360度轉(zhuǎn)動和轉(zhuǎn)動速度太慢所以方案二不行。方案三：直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)通過損失轉(zhuǎn)速獲得扭矩，比步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)速度快而且不會失步，故選擇直流減速電機(jī)。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.2 單片機(jī)ad模塊的論證與選擇方案一：單獨。單獨的ad模塊是8位最大能顯示360/256=1.4精度達(dá)不到。方案二：外接12位ad。精度過高占用單片機(jī)資源大，不好控制。方案三：stc12單片機(jī)。自帶10位ad高8位，低2位，精確度為360/1024=0.35精確度可

4、以達(dá)到要求。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.3 控制系統(tǒng)的論證與選擇方案一：不用算法，直接用延時和電位器找區(qū)間在區(qū)間兩邊分別控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。電機(jī)來回抖動的厲害，無法保持平衡。方案二：pid算法。pid是一個閉環(huán)控制算法，是在比例的基礎(chǔ)上引入積分，消除微分作用，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，適用于控制通道時間常數(shù)或容量之后較大、控制要求較高的場合。其中增量式pid只需要連續(xù)3次采樣計算誤差，偏差值控制電機(jī)調(diào)速?？刂颇Ｊ焦潭?，只需調(diào)節(jié)pid中的p和d參數(shù)，控制精度高。但pid參數(shù)整定復(fù)雜，不易掌握最佳的pid參數(shù)。綜合考慮采用方案二。1.4電機(jī)參數(shù)我們一開始就采用直流減速電機(jī)（jga25-370-12v-

5、646rpm），此電機(jī)電壓范圍是618v，重量約82g，通過單片機(jī)對電機(jī)進(jìn)行零點校準(zhǔn)，pwm和pid調(diào)速，來完成相關(guān)動作?？蛰dno load負(fù)載load torque堵轉(zhuǎn)stall減速器reducer額定ratedvolt.v轉(zhuǎn)速speedrpm電流currentma轉(zhuǎn)速speedrpm電流currentma扭矩torquekg.cm功率outputw扭矩torquekg.cm電流currentma減速比ratio1:00尺寸sizemm12v915506462500.244112009.28172系統(tǒng)理論分析與計算2.1 電路的分析stc12單片機(jī)最小系統(tǒng)：自帶10位ad輸出運算，stc12

6、系列單片機(jī)的程序存儲器比較大，接口豐富，擴(kuò)展功能強(qiáng)，與51單片機(jī)完全兼容，編程簡單，且運行速度快，2.2電機(jī)驅(qū)動模塊電路原理圖 2.3程序的設(shè)計1程序功能描述1、程序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分主要實現(xiàn)鍵盤的設(shè)置，顯示，和具有完成各個動作的功能。 1）鍵盤實現(xiàn)功能：（a）：這部分鍵盤實現(xiàn)的是完成不同的動作，以達(dá)到題 目的要求。 （b）：這部分鍵盤為了實現(xiàn)豎直方向的校準(zhǔn)，或者零 點的校準(zhǔn)，以達(dá)到彌補(bǔ)由于地勢不平所帶來的誤 2） 顯示部分：這部分由12864液晶顯示器構(gòu)成，為了顯示電位器輸出的ad 值，然后通過ad值來控制電機(jī)。 圖2.4 pid的計算sptr-sumerror = 0; sptr

7、-lasterror = 0; /error-1 sptr-preverror = 0; /error-2 sptr-proportion = 15; /比例常數(shù) proportional const sptr-integral = 1.0; /積分常數(shù)integral const sptr-derivative = 1.35; /微分常數(shù) derivative const sptr-setpoint = 716;x=(getadcresult(1)&0xc0)6)*256+(getadcresult(1)&0x3f)*4+getadcresultl(1)3電路與程序設(shè)計3.1電路的設(shè)計 圖13.1系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖2所示2、xxx子程序流程圖圖24測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案1、硬件測試（1）讓電機(jī)由自由下垂?fàn)顟B(tài)開始擺動，看能不能擺到+60度到60度（2）看擺桿能否擺過一個圓周（3）讓擺桿從165度開始看擺桿能否倒立10秒鐘并且擺臂擺動不超過90度2、軟件仿真測試4.2 測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必