電子設(shè)計(jì)競賽簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置

1、2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置（c題）【本科組】2013年9月7日ii摘 要 摘 要：本簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置采用stc12c5a60s2單片機(jī)作為主控系統(tǒng)，l298n作為電機(jī)驅(qū)動模塊，stc12c5a60s2單片機(jī)通過l298n驅(qū)動模塊驅(qū)德國馮哈勃faulhaber減速電機(jī)2342l012，使旋轉(zhuǎn)臂在電機(jī)驅(qū)動下可以作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而帶動擺臂在平面做自由旋轉(zhuǎn)。硬件部分主要包括stc12c5a60s2單片機(jī)最小系統(tǒng)，l298n電機(jī)驅(qū)動電路，電源模塊等。本設(shè)計(jì)主要運(yùn)用stc12c5a60s2單片機(jī)控制減速電機(jī)，由單片機(jī)產(chǎn)生脈沖信號精確控制減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速和角度，使擺桿能

2、按要求自由旋轉(zhuǎn)和倒立。關(guān)鍵詞：單片機(jī) 驅(qū)動芯片 傳感器 減速電機(jī) 目 錄1系統(tǒng)方案11.1 處理器模塊的論證與選擇11.2 電機(jī)模塊的論證與選擇11.3 傳感器模塊的論證與選擇2 1.4 電源模塊的論證與選擇.22系統(tǒng)理論分析與計(jì)算32.1 倒立擺的數(shù)學(xué)模型分析及計(jì)算32.1.1 理論分析32.1.2 實(shí)際系統(tǒng)模型42.2 pid算法分析53電路與程序設(shè)計(jì)83.1電路的設(shè)計(jì)83.1.1系統(tǒng)總體框圖83.1.2 主控系統(tǒng)電路原理圖83.1.3 電機(jī)驅(qū)動模塊電路原理圖9 3.1.4 傳感器模塊電路原理圖.103.1.5電源模塊電路原理圖103.2程序的設(shè)計(jì)103.2.1程序功能描述與設(shè)計(jì)思路103

3、.2.2程序流程圖114測試方案與測試結(jié)果124.1測試方案124.2 測試條件與儀器124.3 測試結(jié)果及分析124.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù))124.3.2測試分析與結(jié)論125設(shè)計(jì)總結(jié).13附錄1：電路原理圖14附錄2：源程序15簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置（c題）【本科組】1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由處理器模塊、電機(jī)模塊、驅(qū)動模塊、傳感器模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。1.1 處理器模塊的論證與選擇方案一：選用一片cpld（如epm7128lc84-15）作為系統(tǒng)的核心部件，實(shí)現(xiàn)控制與處理的功能。cpld具有速度快、編程容易、資源豐富、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，可利用vhdl語言進(jìn)行編寫開發(fā)

4、。但cpld在控制上較單片機(jī)有較大的劣勢。同時(shí)，cpld的處理速度非?？欤≤嚨男羞M(jìn)速度不可能太高，那么對系統(tǒng)處理信息的要求也就不會太高，在這一點(diǎn)上，mcu就已經(jīng)可以勝任了。若采用該方案，必將在控制上遇到許許多多不必要增加的難題。為此，我們不采用該種方案。方案二：采用stc12c5a60s2單片機(jī)作為控制器，此類單片機(jī)通用靈活、價(jià)格低廉、使用方便這種方案設(shè)計(jì)占用單片機(jī)的端口最少，硬件也少,耗電也最小。并且軟件實(shí)現(xiàn)也比較容易，它極大能力的節(jié)省了i/o的使用，為系統(tǒng)功能擴(kuò)展提供了必要的條件。綜合考慮了傳感器、電機(jī)的驅(qū)動等諸多因素后，我們決定采用一片單片機(jī)，充分利用stc12c5a60s2單片機(jī)的

5、資源，選擇方案二。1.2 電機(jī)模塊的論證與選擇方案一：采用步進(jìn)電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)作為一種開環(huán)控制的系統(tǒng)，和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。但是不經(jīng)細(xì)分的步進(jìn)電機(jī)控制精度不高，速度響應(yīng)也較慢。方案二：采用直流伺服電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)。在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可控制速度,位置精度非常準(zhǔn)確。它將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機(jī)在控制精度、低頻和矩頻特性、過載能力、運(yùn)行和速度響應(yīng)性能等方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。綜合考慮采用方案二。1.3 驅(qū)動模塊的論證與選擇方案一：三極管價(jià)格便宜，驅(qū)動

6、電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，不穩(wěn)定，出問題難于查詢。方案二：uln2803芯片價(jià)格便宜，電路設(shè)計(jì)簡單，驅(qū)動電流小，不能驅(qū)動大功率的直流電機(jī)；方案三：l298n芯片價(jià)格便宜，電路設(shè)計(jì)簡單，驅(qū)動電流大，足以驅(qū)動大功率的電機(jī)，足于滿足本設(shè)計(jì)的要求。綜合以上三種方案，采用方案三。1.4 傳感器模塊的論證與選擇方案一：mma745模塊是三軸加速度傳感器，是一款數(shù)字輸出、低功耗、緊湊型電容式微機(jī)械加速度計(jì)，具有信號調(diào)理、低通濾波器、溫度補(bǔ)償、自測、可配置通過中斷引腳檢測0g、以及脈沖檢測（用于快速運(yùn)動檢測）等功能，但相對來說引腳較為復(fù)雜，不適合用于擺桿。方案二：adxl345模塊是一款完整的3軸加速度測量系統(tǒng)，既能測量

7、運(yùn)動或沖擊導(dǎo)致的動態(tài)加速度，也能測量靜止加速度，例如重力加速度，使得器件可作為傾斜傳感器使用。該傳感器為多晶硅表面微加工結(jié)構(gòu)，置于晶圓頂部。由于應(yīng)用加速度，多晶硅彈簧懸掛于晶圓表面的結(jié)構(gòu)之上，提供力量阻力。差分電容由獨(dú)立固定板和活動質(zhì)量連接板組成，能對結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)進(jìn)行測量。加速度使慣性質(zhì)量偏轉(zhuǎn)、差分電容失衡，從而傳感器輸出的幅度與加速度成正比。相敏解調(diào)用于確定加速度的幅度和極性。接線簡單，適合擺桿的使用。綜合考慮采用方案二。2.系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1 倒立擺的數(shù)學(xué)模型及計(jì)算 2.1.1 理論分析mg1圖2-1 倒立擺系統(tǒng)的簡化模型分析擺桿水平所受的合力，可以得到以下方程： （2.1）由擺桿水平方

8、向的受力進(jìn)行分析可以得到下面等式： 即 ： （2.2）把這個(gè)等式代入上式中，就得到系統(tǒng)的第一個(gè)運(yùn)動方程： （2.3）為了推出系統(tǒng)的第二個(gè)運(yùn)動方程，我們對擺桿垂直方向上的合力進(jìn)行分析，可以得到下面方程： 即： (2.4)力矩平衡方程如下： (2.5)方程中力矩的方向，由于，故等式前面有負(fù)號。合并這兩個(gè)方程，約去p和n，得到第二個(gè)運(yùn)動方程： (2.6)設(shè)（是擺桿與垂直向上方向之間的夾角），假設(shè)與1（單位是弧度）相比很小，即1，則可以進(jìn)行近似處理： 用u 代表被控對象的輸入力f ，線性化后兩個(gè)運(yùn)動方程如下： (2.7)對方程組(2.7)進(jìn)行拉普拉斯變換，得到 (2.8)注意：推導(dǎo)傳遞函數(shù)時(shí)假設(shè)初始條

9、件為0。由于輸出為角度，求解方程組(2.8)的第一個(gè)方程，可以得到： (2.9)把上式代入方程組(2.8)的第二個(gè)方程，得到： (2.10)整理后得到傳遞函數(shù)： (2.11) 其中： 2.1.2 實(shí)際系統(tǒng)模型把實(shí)際參數(shù)代入，可以得到系統(tǒng)的實(shí)際模型。 擺桿角度和旋轉(zhuǎn)臂位移的傳遞函數(shù)： (2.12)擺桿角度和旋轉(zhuǎn)臂加速度之間的傳遞函數(shù)為： (2.13)擺桿角度和旋轉(zhuǎn)臂所受外界作用力的傳遞函數(shù)： (2.14)以外界作用力作為輸入的系統(tǒng)狀態(tài)方程： (2.15)以旋轉(zhuǎn)臂加速度作為輸入的系統(tǒng)狀態(tài)方程： （2.16）2.2 pid算法分析pid控制就是對偏差信號進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算后，形成的一種控制規(guī)律

10、。在模擬控制系統(tǒng)中,控制器最常用的控制規(guī)律是pid控制。模擬pid控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-2所示。系統(tǒng)由模擬pid控制器和被控對象組成。圖2-2模擬pid控制系統(tǒng)原理框圖pid控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值rin(t)與實(shí)際輸出值yout(t)構(gòu)成控制偏差 error(t)=rin(t)-yout(t) pid的控制規(guī)律為： (2.17)也可以寫成傳遞函數(shù)的形式 (2.18)其中，比例系數(shù)，積分時(shí)間常數(shù)；微分時(shí)間常數(shù)。簡單的說來，pid控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié)：成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號error(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。積分環(huán)節(jié)：主要用于

11、消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之越強(qiáng)。微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號變的太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。2.2.2 數(shù)字pid控制計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。因此，連續(xù)pid控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。按模擬pid控制算法，以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)kt代表連續(xù)時(shí)間t，以矩形法數(shù)值積分近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，即： (2.19) 可以得到離散pid表達(dá)式： (2.20) 式中，t為采樣周期，k為采樣序

12、號，k=1，2，error(k-1)和error(k)分別為第(k-1)和第k時(shí)刻所得的偏差信號。位置式pid控制系統(tǒng)如下圖2-3所示：圖2-3 位置式pid控制系統(tǒng)上述pid控制算法的缺點(diǎn)是：由于采用全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對error(k)量進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)輸出控制量u(k)對應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置偏差，如果位置傳感器出現(xiàn)故障，u(k)可能會出現(xiàn)大幅度的變化。u(k)的大幅度變化會引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況是在實(shí)際生產(chǎn)中不允許的，在某些場合還可能造成重大事故。為避免這種情況的發(fā)生，可以采用增量式pid控制算法。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量（例如驅(qū)動

13、步進(jìn)電機(jī)）時(shí)，應(yīng)采用增量式pid控制。根據(jù)遞推原理可以得到： (2.21)增量式pid控制算法：由于控制算法中不需要累加，控制增量u(k)僅與最近k次的采樣有關(guān)，所以誤動作時(shí)影響小，而且較為容易的通過加權(quán)處理獲的比較好的控制效果。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，pid控制是通過計(jì)算機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)的，因此它的靈活性很大。一些原來在模擬pid控制器中無法實(shí)現(xiàn)的問題，在引入計(jì)算機(jī)以后，就可以得到解決，于是產(chǎn)生了一系列的改進(jìn)算法，形成非標(biāo)準(zhǔn)的控制算法，以改善系統(tǒng)的品質(zhì)，滿足不同的控制系統(tǒng)的需要。3電路與程序設(shè)計(jì)3.1電路的設(shè)計(jì)3.1.1系統(tǒng)總體框圖為了使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜的控制功能，本設(shè)計(jì)采用一種功能強(qiáng)大的、高速

14、低功耗性價(jià)比高的單片機(jī)stc12c5a60s2完成對其他部分控制。本設(shè)計(jì)采用角度傳感器對擺桿的傾斜角度的采集數(shù)據(jù)，通過stc12c5a60s2單片機(jī)內(nèi)部自帶的a/d轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)送給單片機(jī)，單片機(jī)通過數(shù)據(jù)分析控制l298n驅(qū)動電路，使伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)控制擺桿的狀態(tài)?？傮w框圖如圖3-1所示。電 源單片機(jī)驅(qū)動模塊伺服電機(jī)傳感器ad模塊圖3-1 系統(tǒng)總體框圖3.1.2 主控系統(tǒng)電路原理圖單片機(jī)最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、時(shí)鐘振蕩電路，此單片機(jī)最小系統(tǒng)圖如圖3-2所示：圖3-2 主控系統(tǒng)電路原理圖本主控電路采用stc12c5a60s2單片機(jī)，stc12c5a60s2是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1t)的單片機(jī)，是

15、高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成max810專用復(fù)位電路,2路pwm,8路高速10位a/d轉(zhuǎn)換(250k/s),針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。3.1.3 電機(jī)驅(qū)動模塊電路原理圖驅(qū)動模塊采用專用芯片l298n 作為電機(jī)驅(qū)動芯片，l298n 是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，其響應(yīng)頻率高原理如下圖3-3。圖3-3 電機(jī)驅(qū)動模塊電路原理圖3.1.4傳感器模塊電路原理圖adxl345是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計(jì)，分辨率高(13位)，測量范圍達(dá) 16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過spi(3線或4線)或i2c數(shù)

16、字接口訪問。它可以在傾斜檢測應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運(yùn)動或沖擊導(dǎo)致的動態(tài)加速度。其高分辨率(3.9mg/lsb)，能夠測量不到1.0的傾斜角度變化，原理圖如圖3-4。圖3-4 傳感器模塊原理圖3.1.5電源模塊電路原理圖供電電源采用集成穩(wěn)壓器7805，電路圖中，穩(wěn)壓器7805輸入端的電容為輸入端濾波電容，輸出端的電容為輸出端濾波電容，具體供電電源原理圖如圖3-5所示。圖3-5 電源模塊電路原理圖3.2程序的設(shè)計(jì)3.2.1程序功能描述與設(shè)計(jì)思路根據(jù)題目要求軟件部分主要控制電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)使擺桿擺動，控制擺桿的擺動角度、做圓周運(yùn)動、倒立等功能實(shí)現(xiàn)。通過自鎖開關(guān)可切換功

17、能，使題目要求基礎(chǔ)部分和發(fā)揮部分功能能通過一個(gè)主控處理器實(shí)現(xiàn)。3.2.2程序設(shè)計(jì)主程序流程圖如圖3-6初始化讀傾角傳感器電壓a/d轉(zhuǎn)換單片機(jī)處理讀到的a/d數(shù)據(jù)控制驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動擺桿是否符合要求否結(jié)束是圖3-6 主程序流程圖4測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案1）我們用秒表計(jì)算擺桿擺動周期。2）用量角器量出擺桿的起始擺動角度，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。3）用秒表測試倒立的時(shí)間。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須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表。4.3 測試結(jié)果及分析4.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù))4.3.2測試分析與結(jié)論根據(jù)上述測試，由此可以得出以下結(jié)論：經(jīng)過本次試驗(yàn)結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)性能的因素除電路設(shè)計(jì)外，主要還有還有以下幾點(diǎn)：1）角度傳感器的安裝位置，對其檢測效果的影響很大。2）控制算法，pid 參數(shù)直接決定系統(tǒng)是否穩(wěn)定，影響系統(tǒng)的控制精度。綜上所述，本設(shè)計(jì)還有待改進(jìn)。5.設(shè)計(jì)總結(jié)經(jīng)過幾天的辛勤努力，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了題目