2017年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽

1、2017年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng) 賽2017年第十三屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽2017年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽滾球控制系統(tǒng)（B題）2017年第十三屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽2017年8月12日摘要這是一個(gè)以小球?yàn)檩d體，用 K60單片機(jī)控制小球在平板上實(shí)現(xiàn)靜止或者按 照預(yù)定軌跡移動(dòng)的系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括電源模塊、傳感器模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī) 模塊等。在此滾球系統(tǒng)中，利用攝像頭檢測(cè)小球的位置、MPU605傳感器反饋平板的傾斜程度給單片機(jī)，應(yīng)用 PWM調(diào)速方法作為動(dòng)力源、PID為主要控制方法， 控制舵機(jī)的切換及轉(zhuǎn)速，從而控制平板不斷調(diào)整位置以使小球按期望要求動(dòng)作。關(guān)鍵詞：K60單片機(jī)、攝像頭、MPU6050舵機(jī)

2、2017年第十三屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽Abstract : This is a ball carrier, K60 chip is used to control the ball in the statio nary or moving plate accordi ng to a predeterm ined trajectory of the system. This system includes power module, sensor module, driver module, motor module. This ball system, the use of cameras

3、to detect the location of the ball, MPU6050 flat degree of tilt sensor feedback to the microcontrollertheapplication of PWM as the main control method, control method, switching and speed control of the rudder, continue to control panel to adjust the position to make the ball move accord ing to the

4、desired requireme nts.Keywords:K60 microco ntroller, camera, MPU6050, servo目錄摘要 3目錄 41 方案比較與論證 51.1方案設(shè)計(jì) 51.2方案論證 6單片機(jī)模塊的選擇 62017年第十三屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽電機(jī)模塊的選擇 61.3總體總結(jié) 72硬件設(shè)計(jì) 72.1理論分析與計(jì)算 72.2總體硬件框圖 92.3單元電路設(shè)計(jì) 103 軟件設(shè)計(jì) 103.1總體軟件框圖 103.2小球的檢測(cè)及處理 113.3控制方法：PID算法 113.3.1 PID 的基本含義 113.4程序目錄 124 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試 124.1硬件

5、測(cè)試 124.2軟件調(diào)試 134.3軟硬件聯(lián)合調(diào)試 13測(cè)試結(jié)果 134.3.2 測(cè)試分析與結(jié)論 145設(shè)計(jì)總結(jié) 14參考文獻(xiàn) 15附錄 151 方案比較與論證1.1方案設(shè)計(jì)根據(jù)題目的要求和組內(nèi)討論，我們的滾球控制裝置采用飛思卡爾智能車(chē)系統(tǒng)中的K60單片機(jī)，利用攝像頭檢測(cè)小球的位置，通過(guò)自己設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，只要單片機(jī)給出相應(yīng)的控制信號(hào)，便可控制舵機(jī)工作。六軸陀螺儀MPU6050 2017年第十三屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽 傳感器測(cè)量平板的擺動(dòng)角度，單片機(jī)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和方向，安裝在底架 上與平板連接，帶動(dòng)平板擺動(dòng)傾斜，并以數(shù)字信號(hào)的形式反饋給單片機(jī)，用來(lái) 調(diào)整舵機(jī)，使平板傾斜擺動(dòng)完成題

6、目要求的小球運(yùn)動(dòng)。1.2 方案論證1.2.1 單片機(jī)模塊的選擇方案一：AT89S52單片機(jī)。AT89S52是一種低功耗、高性能 CMOS位微控制 器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。 片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可 編程，亦適于常規(guī)編程器。但是架構(gòu)太簡(jiǎn)單，片上外設(shè)少，不適合本次使用。方案二：STM32單片機(jī)。STM32系列基于專(zhuān)為要求高性能、低成本、低功耗 的嵌入式應(yīng)用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的 ARMCortex-M3內(nèi)核。STM32單片機(jī)程序都是模塊化的， 接口相對(duì)簡(jiǎn)單些，有一定的不足，比如串口中斷標(biāo)志位缺陷。方案三：K60單片機(jī)。飛思卡爾K60單片機(jī)是一款高性?xún)r(jià)比的單片機(jī)，10種

7、 帶有功率和時(shí)脈閘控的低功耗模式，可優(yōu)化外圍設(shè)備活動(dòng)和恢復(fù)時(shí)間。完整內(nèi) 存，模擬運(yùn)行可降至 1.71V ，令電池壽命延長(zhǎng)。芯片使用多組電源引腳分別為 內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器、 I/O 引腳驅(qū)動(dòng)、 A/D 轉(zhuǎn)換電路等電路供電，內(nèi)部電壓調(diào)節(jié) 器為內(nèi)核和振蕩器等供電。總結(jié)：綜合比較上述幾種方案，發(fā)現(xiàn) K60 的性能最符合我們的題目控制要 求，并且我們具有兩年的使用 K60單片機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，故決定采用方案三。1.2.2 電機(jī)模塊的選擇方案一：直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)，即齒輪減速電機(jī)，是在普通直流 電機(jī)的基礎(chǔ)上，加上配套齒輪減速箱。齒輪減速箱大大提高了，直流電機(jī)在自 動(dòng)化行業(yè)中的使用率。它具有啟動(dòng)推力大、傳動(dòng)剛度

8、高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、定位精 度高、行程長(zhǎng)度不受限制等優(yōu)點(diǎn)。方案二：步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)2017年第十三屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào) 的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。方案三：伺服電機(jī)。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將 電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。用作執(zhí)行元件時(shí)，具有機(jī)電時(shí)間 常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上 的角位移或角速度輸出?？偨Y(jié)：綜合比較以上幾種電機(jī)，結(jié)合設(shè)計(jì)所需高精度控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)度數(shù) 及控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的容易性，故我們選擇方案三

9、伺服電機(jī)。1.3總體總結(jié)根據(jù)題目的要求和組內(nèi)討論，本設(shè)計(jì)采用了K60單片機(jī)為控制核心，攝像頭檢測(cè)小球的位置，MPU605六軸移傳感器測(cè)量平板的擺動(dòng)角度， 并以數(shù)字電信 號(hào)的形式反饋給單片機(jī)，用來(lái)調(diào)整不同方向舵機(jī)開(kāi)閉和轉(zhuǎn)速。通過(guò)閉環(huán)控制， 完成題目指標(biāo)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證方案可行有效。2硬件設(shè)計(jì)2.1理論分析與計(jì)算滾球系統(tǒng)的機(jī)械示意圖如下圖所示。在滾球系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)小球位置控制，必須明確系統(tǒng)所涉及的四個(gè)坐標(biāo)系: 即世界坐標(biāo)系，球盤(pán)坐標(biāo)系，攝像機(jī)坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系。球盤(pán)坐標(biāo)系為二維 坐標(biāo)系，是小球位置控制的基準(zhǔn)坐標(biāo)系，板球系統(tǒng)的世界坐標(biāo)系為三維坐標(biāo)系。對(duì)此系統(tǒng)模型，利用牛頓定律或者拉格朗日方程，通過(guò)動(dòng)

10、力學(xué)分析，可得 到如下的完整的非線性耦合的滾球系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。X JGMi叫甌® Mh% -叫璃仙+ %坤：'TdVj計(jì)nq.S左運(yùn) + 債 + Gsrn </； cm%23 諒 sin % + fj-4（x* g + ifj = QV方向：t H站cos%雖血威務(wù)+齦瓦*抵血業(yè)-具血*斗§胡gt% +茲冶 融旳+J；+4【叩斗“ cos的+翻sin g J = 0式中鼻墾的寺義卵hiHit-小卑的質(zhì)計(jì)6 -小球豐栓h -小萍宛底心的輪功悟晴h -誌盤(pán)左血跑以船同聯(lián)屮心的距擁«W）電-球慮塔x軸糕料旳陽(yáng)底電-味盤(pán)饒Y啊張弭的甫唆鄧.護(hù)-小球莊球燃阻

11、標(biāo)板中的誼直以上的非找杵模舉機(jī)釆用罐件擰制用論世i|沖制弱時(shí)狼卓夥到眥町鈾極球的丄柞點(diǎn)附班 時(shí),性憂.MJU hJjfti7 7.的葉汀總的址"娥ru匕的過(guò)卅間肝也址 卜解帕的過(guò)叫.2.2總體硬件框圖2.3單元電路設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)板：飛思卡爾K60單片機(jī)是一款高性?xún)r(jià)比的單片機(jī)，其原 理圖在附錄給出。3軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)是把許多事物和問(wèn)題抽象起來(lái)，并且抽象它們不同的層次和角度。 在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，軟件同等重要。在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通常把整個(gè)過(guò)程分成若干個(gè)部分，每一部分叫做一個(gè) 模塊。所謂“模塊”，實(shí)質(zhì)上就是所完成一定功能，相對(duì)獨(dú)立的程序段，這種程 序設(shè)計(jì)方法叫

12、模塊程序設(shè)計(jì)法。模塊程序設(shè)計(jì)法將復(fù)雜的問(wèn)題分解成可以管理 的片斷會(huì)更容易。將問(wèn)題或事物分解并模塊化這使得解決問(wèn)題變得容易，分解 的越細(xì)模塊數(shù)量也就越多，它的副作用就是使得設(shè)計(jì)者考慮更多的模塊之間耦 合度的情況。3.1總體軟件框圖NO圖4-1軟件總框圖3.2小球的檢測(cè)及處理在此滾球系統(tǒng)中，我們采用 OV7620攝像頭檢測(cè)小球在平板上的位置。其安 裝過(guò)程具有一定技巧，將攝像頭安裝在平板中央附件位置的正上方，高度要能 使攝像頭的視野能夠照完整個(gè)平板，并且攝像頭表面要和平板平行，否則采集 回來(lái)的圖像不能迅速準(zhǔn)確反映小球在平板上的位置坐標(biāo)。通過(guò)在筆記本上位機(jī) 觀察攝像頭采集回來(lái)的圖像，經(jīng)過(guò)軟件二值化，可

13、以看到白板黑球明顯區(qū)分， 即可實(shí)現(xiàn)小球的檢測(cè)定位。3.3控制方法：PID算法3.3.1 PID 的基本含義當(dāng)被控對(duì)象模擬PID控制系統(tǒng)組成,如圖所示圖4-3 PID 控制系統(tǒng)原理框圖PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。332 PID 參數(shù)試湊法和臨界比例法湊試時(shí)，對(duì)參數(shù)實(shí)行先比例，后積分，再微分的整定步驟，具體如下:(1) 先整定比例部分：確定比例系數(shù)Kp時(shí)，首先去掉PID的積分項(xiàng)和微 分項(xiàng)(即令Ki=0、Kd=0)使之成為純比例調(diào)節(jié)。再反過(guò)來(lái)，從此時(shí)的比例系數(shù) Kp逐漸減小，

14、直至系統(tǒng)振蕩消失，且系統(tǒng)反應(yīng)快，超調(diào)小。記錄此時(shí)的比例系數(shù)Kp，設(shè)定PID的比例系數(shù)Kp為當(dāng)前值的60 %70%。(2) 加入積分控制：如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)首先置積分系數(shù)Ki 一較大值，并將經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)略微縮小(如縮小為原值的0.8倍)，然后減小積分時(shí)間， 使在保持系統(tǒng)良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜態(tài)誤差得到消除。1 HFU * 4B(3) 加入微分控制：若使用比例積分調(diào)節(jié)器消除了靜態(tài)誤差，但動(dòng)態(tài)過(guò)程 經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍不能滿意，則可加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成比例積分微分調(diào)節(jié)器。在整 定時(shí)，可先置微分系數(shù)Kd為0。在第二步整定的基礎(chǔ)上，增大 Kd

15、，同時(shí)相應(yīng) 地改變比例系數(shù)和積分系數(shù)，逐步湊試，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。3.4程序目錄4系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試4.1硬件測(cè)試根據(jù)題目要求用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序達(dá)到各項(xiàng)功能，編程的目 錄如右圖所示。程序分為各個(gè)不同模塊，每個(gè)模塊執(zhí)行特定功 能，具有清晰的區(qū)分性和條理性。測(cè)試儀器測(cè)試儀器包括米尺、數(shù)字萬(wàn)用表、直流穩(wěn)壓電源、示波器等。數(shù)字萬(wàn)用表主要用來(lái)測(cè)試分立元件的電阻、壓降、漏電流、截止/導(dǎo)通狀態(tài)等參數(shù)；測(cè)量模塊板是否可行。軟件 IAR用于調(diào)試軟件。直流穩(wěn)壓電源在測(cè)試 期間為各待測(cè)系統(tǒng)供電。示波器用于探測(cè)某接口輸出是否正常。4.2軟件調(diào)試本程序較大且復(fù)雜，因此采用 C語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)IAR軟件的不斷修改，

16、采 用自下而上的調(diào)試方法，先調(diào)試功能電路，再調(diào)試整個(gè)系統(tǒng)。在調(diào)試的過(guò)程中 與硬件的調(diào)試相結(jié)合，提高了調(diào)試的效率。4.3軟硬件聯(lián)合調(diào)試當(dāng)軟件和硬件的基本功能分別調(diào)試后，進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試及優(yōu)化。測(cè)試結(jié)果按照題目要求，分步測(cè)試滾球系統(tǒng)的功能題目要求試驗(yàn)次數(shù)成功次數(shù)備注（1）基本要求1010小球基本比較穩(wěn)定在2號(hào)區(qū)域（2）基本要求109排除干擾和誤差，試驗(yàn)結(jié)果好（3）基本要求108達(dá)到指標(biāo)且有富余程度（4）基本要求109要求30s內(nèi)完成僅用21s左右（5）發(fā)揮部分108提前9s完成指標(biāo)（7）發(fā)揮部分未完成（8）發(fā)揮部分未完成（9）發(fā)揮部分未完成2017年第十三屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽4.3.2 測(cè)試

17、分析與結(jié)論板球系統(tǒng)雖然是個(gè)經(jīng)典的控制系統(tǒng)，其涉及的知識(shí)多且面廣，沒(méi)有想象中 那么簡(jiǎn)單。滾球控制系統(tǒng)的硬件的搭架特別耗時(shí)耗力，加上所處地區(qū)的技術(shù)落 后工業(yè)落后，比賽所用到的許多材料不能現(xiàn)場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)。在這四天三夜里，我們隊(duì) 員爭(zhēng)分奪秒，在搭架好硬件后開(kāi)始調(diào)試程序，最終把基礎(chǔ)部分都較好完成，發(fā) 揮部分只完成了一問(wèn)，多少有些許遺憾。經(jīng)過(guò)小組討論分析，我們認(rèn)為測(cè)試結(jié)果主要與硬件條件和程序算法密切相 關(guān)。底架不夠穩(wěn)定會(huì)使攝像頭跟著平板擺動(dòng)而搖晃，再好的程序沒(méi)有良好的硬 件基礎(chǔ)也不能很好發(fā)揮程序功能。程序的算法很多，只有進(jìn)行多次修改協(xié)調(diào)才 能找出最利于實(shí)現(xiàn)題目要求指標(biāo)。5 設(shè)計(jì)總結(jié)在學(xué)校里我們學(xué)習(xí)到的知識(shí)和簡(jiǎn)單的動(dòng)手實(shí)踐，要轉(zhuǎn)化成為社會(huì)的生產(chǎn)力 還需要一個(gè)平臺(tái)。全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽給我們提供了一個(gè)培養(yǎng)創(chuàng)新、協(xié)作 和鉆研精神的平臺(tái)，是大學(xué)生展現(xiàn)自己、積累經(jīng)驗(yàn)的舞臺(tái)。 參加過(guò)“瑞薩杯” 電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的人，都從中體會(huì)到了奮斗的快樂(lè)、團(tuán)隊(duì)力量的偉大和來(lái)自壓力 的動(dòng)力。培訓(xùn)到競(jìng)賽是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，期間心態(tài)很重要，會(huì)遇到很多問(wèn)題，比如： 做訓(xùn)練時(shí)不懂的知識(shí)，硬件、軟件調(diào)不出來(lái)，隊(duì)員之間的矛盾，外界壓力等， 都需要我們?nèi)タ朔ｊ?duì)員多交流！交流不僅能促進(jìn)隊(duì)員們的學(xué)習(xí)，還能及時(shí)發(fā) 現(xiàn)問(wèn)題處理問(wèn)題，利用一切