電子設計倒立擺論文附程序

1、 2013年全國大學生電子設計競賽 簡易旋轉倒立擺及控制裝置（C題） 【本科組】2013年9月7日II摘 要 本題要求設計一個倒立擺控制系統(tǒng)，其中光電編碼器、直流減速電機和單片機AT89C51系統(tǒng)是核心部件。利用光電編碼器進行數據采集；在控制倒立擺轉動角度、速度方面，經過充分比較、論證，最終選用了直流減速電機JGA25-371，易于控制倒立擺轉動角度；將光電編碼器采集的信號傳給單片機并液晶屏顯示倒立擺偏轉角度；采用單片機內部時鐘實現精確計時。最后的實驗表明，系統(tǒng)完全達到了設計要求，可以很好的實現倒立擺平衡。關鍵詞：倒立擺、光電編碼器、單片機、直流減速電機、液晶屏。目 錄一、系統(tǒng)方案31.1方案

2、論證41.1.1控制器模塊41.1.2角度檢測模塊51.1.3電機模塊51.1.4驅動電機模塊61.1.5顯示模塊61.2系統(tǒng)設計71.3結構框圖7二、 理論分析與計算72.1 系統(tǒng)算法控制72.2 系統(tǒng)的PWM直流電機控制9三、電路與程序設計113.1檢測電路設計113.2 L298N電機驅動模塊113.4軟件設計與工作流程123.4.1軟件設計12 3.4.2工作流程12四、測試方案與測試結果134.1測試儀表134.2倒立擺角度測試134.3旋轉臂轉動固定角度需給脈沖數目的確定134.4測試功能實現13五、結語14一、系統(tǒng)方案 本題要求設計并制作一套簡易旋轉倒立擺及其控制系統(tǒng)，能實現在旋

3、轉臂轉動過程中擺桿自由旋轉，以及做圓周運動并且在撤出外力作用下可以倒立保持平衡。發(fā)揮部分要求實現擺桿自主旋轉至倒立狀態(tài)時保持平衡，并且在外力干擾下可以恢復平衡狀態(tài)。本系統(tǒng)利用光電編碼器檢測倒立擺動角度并用液晶屏顯示，利用單片機接收信號并控制直流減速電機來控制旋轉臂轉動。主要由角度檢測模塊、電機模塊、驅動電機模塊，顯示模塊，電源模塊，控制器模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。1.1方案論證1.1.1控制器模塊 方案一：采用宏晶公司的IAP15F2K61S2。51單片機價格便宜，應用廣泛，其功能足以實現本設計要求。功能特色：1.最新STC15系列IAP15F2K61S2芯片。ISP/IAP，在

4、系統(tǒng)可編程/在應用可編程，無需編程器，無需仿真器?？僧敺抡嫫魇褂?。2.增強型8051CPU，1T，單時鐘/機器周期，速度比普通8051快8-12倍3.61K字節(jié)片內片內Flash 程序存儲器，擦寫次數10萬次以上4.片內大容量2048字節(jié)的SRAM。5.大容量片內EEPROM，擦寫次數10萬次數以上。6.共8通道10位高速ADC，速度可達30萬次/秒，3路PWM還可當3路D/A使用7.共3通道捕獲/比較單元（CCP/PWM/PCA）。8.內部高可靠復位，8級可選復位門檻電壓，徹底省掉外部復位電路。9.內部高精度R/C時鐘，內部時鐘從5MHz35MHz可選，相當于普通8051的60MHz420M

5、H。方案二：采用凌陽公司的SPCE061A 單片機作為控制器的方案。該單片機I/O資源豐富，但是價格昂貴。綜合考慮，我們選擇價格便宜的方案一。1.1.2角度檢測模塊方案一： 采用深圳市華夏磁電子技術開發(fā)有限公司的AME-B001角度傳感器，0360度測量范圍，安裝非常不方便，而且電壓輸出信號，采集不便。方案二： 采用SCA60C傾角傳感器，90 +90測量范圍。模擬0.54.5輸出，工作溫度范圍寬，價格便宜，安裝方便，電壓輸出信號，采集不便。方案三： 采用增量型光電編碼器AJ38/6，數字信號輸出，采集方便，分辨率高，抗干擾能力強，可靠性高。由數據采集和摩擦程度方面考慮選擇方案三。1.1.3電

6、機模塊方案一：步進電機由于倒立擺在運動過程中，對電機的快速性、穩(wěn)定性要求較高，且具有良好的啟動、制動和調速特性?？紤]到步進電機雖然有良好的角度控制能力，但是快速性達不到要求，被排除掉。方案二：直流減速電機普通直流機雖然能夠實現快速啟動和制動，但是調速能力較差，被排除掉。直流減速電機具有良好的啟動，制動和調速特性，很可能在寬范圍內實現平滑無極調速，故選用直流減速電動機。 圖1-1 步進電機 圖1-2 直流減速電機 1.1.4驅動電機模塊方案一：采用BY-2HB03MA步進電機驅動器，此款驅動器使用THB6128芯片，電源損耗低，開關效率高。方案二：采用L298N電機驅動器，此款驅動器使用原裝L2

7、98N芯片，具有兩個使能端，可以驅動直流減速電機，步進電機等?？紤]到本設計需用直流減速電機，故選擇方案二。1.1.5顯示模塊方案一：用LED顯示，優(yōu)點亮度高、成本低。但不能顯示漢字，顯示內容較少。 方案二：采用1602液晶顯示。串行接口，顯示簡單。考慮到LED顯示不能顯示漢字的局限性，故選方案二。 1.2系統(tǒng)設計 根據上述方案論證，我們確定以STC89C51作為控制核心，采用型號為JGA25-371的直流減速電機控制平板轉動，采用增量型光電編碼器AJ38/6檢測倒立擺擺動角度，將采集信號送給單片機，并利用液晶屏顯示角度，采用L298N電機驅動器驅動直流減速電機。單片機最小系統(tǒng)光電編碼器L298

8、N電機驅動器直流電機倒立擺1.3結構框圖圖1-3 系統(tǒng)總體結構框圖2、 理論分析與計算2.1 系統(tǒng)算法控制PID控制算法是微機化控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，整個系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來實現。目前提出的控制算法有很多。根據偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進行的控制，稱為PID控制。實際經驗和理論分析都表明，PID控制能夠滿足相當多工業(yè)對象的控制要求，至今仍是一種應用最為廣泛的控制算法之一。我們系統(tǒng)選用的是數字化PID控制，下面是對PID數字量化的分析： 為將模擬PID控制規(guī)律離散化，我們把、在第n次采樣的數據分別用、表示，于是式（1.1）變?yōu)?：= （1.1）當采樣周期T很小時可以

9、用T近似代替，可用近似代替，“積分”用“求和”近似代替，即可作如下近似 （1.2） （1.3）這樣，式（1.1）便可離散化以下差分方程 （1.4）上式中是偏差為零時的初值,上式中的第一項起比例控制作用,稱為比例（P）項,即 （1.5）第二項起積分控制作用,稱為積分（I）項即 （1.6）第三項起微分控制作用,稱為微分（D）項即 （1.7）式（1.4）的輸出量為全量輸出,它對于被控對象的執(zhí)行機構每次采樣時刻應達到的位置。因此,式（1.4）又稱為位置型PID算式。由（1.4）可看出，位置型控制算式不夠方便，這是因為要累加偏差,不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，為此對式（1.4）進行改進。

10、根據式（1.4）不難看出u(n-1)的表達式，即 （1.8）將式（1.7）和式（1.15）相減，即得數字PID增量型控制算式為 （1.9） 從上式可得數字PID位置型控制算式為 （1.10）式中： 稱為比例增益； 稱為積分系數； 稱為微分系數1。數字PID位置型示意圖和數字PID增量型示意圖分別如圖2.1和2.2所示：圖2.1 數字PID位置型控制示意圖 圖2.2 數字PID增量型控制示意圖2.2 系統(tǒng)的PWM直流電機控制PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。 下面主要

11、介紹直流電機PWM調速系統(tǒng)的算法實現。根據PWM控制的基本原理可知，一段時間內加在慣性負載兩端的PWM脈沖與相等時間內沖量相等的直流電加在負載上的電壓等效，那么如果在短時間T內脈沖寬度為,幅值為U，由圖1.6可求得此時間內脈沖的等效直流電壓為： 圖2.3 PWM脈沖，若令，即為占空比，則上式可化為： (U為脈沖幅值) （1.11）若PWM脈沖為如圖1.7所示周期性矩形脈沖，那么與此脈沖等效的直流電壓的計算方法與上述相同，即 （為矩形脈沖占空比） （1.12）圖2.4 周期性PWM矩形脈沖由式1.12可知，要改變等效直流電壓的大小，可以通過改變脈沖幅值U和占空比來實現，因為在實際系統(tǒng)設計中脈沖幅

12、值一般是恒定的，所以通常通過控制占空比的大小實現等效直流電壓在0U之間任意調節(jié)，從而達到利用PWM控制技術實現對直流電機轉速進行調節(jié)的目的。三、電路與程序設計3.1檢測電路設計 光電編碼器與電壓跟隨器連接，將電壓信號傳給單片機電路圖如下所示。3.2 L298N電機驅動模塊3.4軟件設計與工作流程3.4.1軟件設計 軟件要實現功能如下：1、讀光電編碼器角度； 2、給步進電機步進脈沖； 3、顯示擺桿角度； 4、鍵盤控制選擇工作模式；3.4.2工作流程本題考察基于PID一階倒立擺控制。故自制倒立擺支架，由電機帶動旋轉桿，旋轉桿帶動擺桿做旋轉運動。通過單片機控制電機驅動，再控制直流電機，角位通過角位移

13、傳感器編碼器測量，并返回給單片機，從而實現控制擺桿。14四、測試方案與測試結果4.1測試儀表5位半數字萬用表(MASTECH MY-65)，秒表，計算器,米尺。4.2倒立擺角度測試 表4.2 設定模式倒立擺測試測量次數第一次第二次第三次第四次設定角度()60-6045-45過角度的時間(s)4.54.03.63.84.3旋轉臂轉動固定角度需給脈沖數目的確定 要使擺桿轉動一周，根據理論可計算出所需脈沖數，但是實際試驗中，直流減速電機轉動時在與旋轉臂連接出有打滑現象，經過反復試驗，數據記錄如下：表4.3 快速起擺模式運行測試表測量次數第一次第二次第三次第四次過水平面時間(s)4.6 4.95.26.1動態(tài)倒立時間(s)7.27.8 8.79.24.4測試功能實現 表4.4 手拉倒立模式運行的測試表測量次數第一次第二次第三次第四次第五次動態(tài)倒立時間8.4s8.0s7.4s7.78.6s 五、結語在這段時間內的試驗過程中