2017年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽

1、2017年全國大學(xué)生電子設(shè)計競 賽2017年第十三屆全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽2017年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽滾球控制系統(tǒng)（B題）2017年第十三屆全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽2017年8月12日摘要這是一個以小球為載體，用 K60單片機控制小球在平板上實現(xiàn)靜止或者按 照預(yù)定軌跡移動的系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括電源模塊、傳感器模塊、驅(qū)動模塊、電機 模塊等。在此滾球系統(tǒng)中，利用攝像頭檢測小球的位置、MPU605傳感器反饋平板的傾斜程度給單片機，應(yīng)用 PWM調(diào)速方法作為動力源、PID為主要控制方法， 控制舵機的切換及轉(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作。關(guān)鍵詞：K60單片機、攝像頭、MPU6050舵機

2、2017年第十三屆全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽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 51.2方案論證 6單片機模塊的選擇 62017年第十三屆全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽電機模塊的選擇 61.3總體總結(jié) 72硬件設(shè)計 72.1理論分析與計算 72.2總體硬件框圖 92.3單元電路設(shè)計 103 軟件設(shè)計 103.1總體軟件框圖 103.2小球的檢測及處理 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)試與測試 124.1硬件

5、測試 124.2軟件調(diào)試 134.3軟硬件聯(lián)合調(diào)試 13測試結(jié)果 134.3.2 測試分析與結(jié)論 145設(shè)計總結(jié) 14參考文獻 15附錄 151 方案比較與論證1.1方案設(shè)計根據(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系統(tǒng)中的K60單片機，利用攝像頭檢測小球的位置，通過自己設(shè)計的驅(qū)動板進行驅(qū)動，只要單片機給出相應(yīng)的控制信號，便可控制舵機工作。六軸陀螺儀MPU6050 2017年第十三屆全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽 傳感器測量平板的擺動角度，單片機控制舵機轉(zhuǎn)動的速度和方向，安裝在底架 上與平板連接，帶動平板擺動傾斜，并以數(shù)字信號的形式反饋給單片機，用來 調(diào)整舵機，使平板傾斜擺動完成題

6、目要求的小球運動。1.2 方案論證1.2.1 單片機模塊的選擇方案一：AT89S52單片機。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 存儲器。 片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可 編程，亦適于常規(guī)編程器。但是架構(gòu)太簡單，片上外設(shè)少，不適合本次使用。方案二：STM32單片機。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗 的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的 ARMCortex-M3內(nèi)核。STM32單片機程序都是模塊化的， 接口相對簡單些，有一定的不足，比如串口中斷標志位缺陷。方案三：K60單片機。飛思卡爾K60單片機是一款高性價比的單片機，10種

7、 帶有功率和時脈閘控的低功耗模式，可優(yōu)化外圍設(shè)備活動和恢復(fù)時間。完整內(nèi) 存，模擬運行可降至 1.71V ，令電池壽命延長。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、 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單片機的經(jīng)驗，故決定采用方案三。1.2.2 電機模塊的選擇方案一：直流減速電機。直流減速電機，即齒輪減速電機，是在普通直流 電機的基礎(chǔ)上，加上配套齒輪減速箱。齒輪減速箱大大提高了，直流電機在自 動化行業(yè)中的使用率。它具有啟動推力大、傳動剛度

8、高、動態(tài)響應(yīng)快、定位精 度高、行程長度不受限制等優(yōu)點。方案二：步進電機。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開2017年第十三屆全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號 的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響。方案三：伺服電機。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將 電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。用作執(zhí)行元件時，具有機電時間 常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上 的角位移或角速度輸出。總結(jié)：綜合比較以上幾種電機，結(jié)合設(shè)計所需高精度控制電機的轉(zhuǎn)動度數(shù) 及控制驅(qū)動電機的容易性，故我們選擇方案三

9、伺服電機。1.3總體總結(jié)根據(jù)題目的要求和組內(nèi)討論，本設(shè)計采用了K60單片機為控制核心，攝像頭檢測小球的位置，MPU605六軸移傳感器測量平板的擺動角度， 并以數(shù)字電信 號的形式反饋給單片機，用來調(diào)整不同方向舵機開閉和轉(zhuǎn)速。通過閉環(huán)控制， 完成題目指標。經(jīng)過試驗，驗證方案可行有效。2硬件設(shè)計2.1理論分析與計算滾球系統(tǒng)的機械示意圖如下圖所示。在滾球系統(tǒng)中，要實現(xiàn)小球位置控制，必須明確系統(tǒng)所涉及的四個坐標系: 即世界坐標系，球盤坐標系，攝像機坐標系和圖像坐標系。球盤坐標系為二維 坐標系，是小球位置控制的基準坐標系，板球系統(tǒng)的世界坐標系為三維坐標系。對此系統(tǒng)模型，利用牛頓定律或者拉格朗日方程，通過動

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)的動力學(xué)方程。X JGMi叫甌® Mh% -叫璃仙+ %坤：'TdVj計nq.S左運 + 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6 -小球豐栓h -小萍宛底心的輪功悟晴h -誌盤左血跑以船同聯(lián)屮心的距擁«W）電-球慮塔x軸糕料旳陽底電-味盤饒Y啊張弭的甫唆鄧.護-小球莊球燃阻

11、標板中的誼直以上的非找杵模舉機釆用罐件擰制用論世i|沖制弱時狼卓夥到眥町鈾極球的丄柞點附班 時,性憂.MJU hJjfti7 7.的葉汀總的址"娥ru匕的過卅間肝也址 卜解帕的過叫.2.2總體硬件框圖2.3單元電路設(shè)計單片機最小系統(tǒng)板：飛思卡爾K60單片機是一款高性價比的單片機，其原 理圖在附錄給出。3軟件設(shè)計軟件設(shè)計是把許多事物和問題抽象起來，并且抽象它們不同的層次和角度。 在進行微機控制系統(tǒng)設(shè)計時，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計外，軟件同等重要。在進行軟件設(shè)計時，通常把整個過程分成若干個部分，每一部分叫做一個 模塊。所謂“模塊”，實質(zhì)上就是所完成一定功能，相對獨立的程序段，這種程 序設(shè)計方法叫

12、模塊程序設(shè)計法。模塊程序設(shè)計法將復(fù)雜的問題分解成可以管理 的片斷會更容易。將問題或事物分解并模塊化這使得解決問題變得容易，分解 的越細模塊數(shù)量也就越多，它的副作用就是使得設(shè)計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小球的檢測及處理在此滾球系統(tǒng)中，我們采用 OV7620攝像頭檢測小球在平板上的位置。其安 裝過程具有一定技巧，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平板，并且攝像頭表面要和平板平行，否則采集 回來的圖像不能迅速準確反映小球在平板上的位置坐標。通過在筆記本上位機 觀察攝像頭采集回來的圖像，經(jīng)過軟件二值化，可

13、以看到白板黑球明顯區(qū)分， 即可實現(xiàn)小球的檢測定位。3.3控制方法：PID算法3.3.1 PID 的基本含義當被控對象模擬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)與實際輸出值c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進行控制。332 PID 參數(shù)試湊法和臨界比例法湊試時，對參數(shù)實行先比例，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，首先去掉PID的積分項和微 分項(即令Ki=0、Kd=0)使之成為純比例調(diào)節(jié)。再反過來，從此時的比例系數(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。記錄此時的比例系數(shù)Kp，設(shè)定PID的比例系數(shù)Kp為當前值的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)計要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時首先置積分系數(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)，然后減小積分時間， 使在保持系統(tǒng)良好動態(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，但動態(tài)過程 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，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)試與測試4.1硬件測試根據(jù)題目要求用C語言編寫程序達到各項功能，編程的目 錄如右圖所示。程序分為各個不同模塊，每個模塊執(zhí)行特定功 能，具有清晰的區(qū)分性和條理性。測試儀器測試儀器包括米尺、數(shù)字萬用表、直流穩(wěn)壓電源、示波器等。數(shù)字萬用表主要用來測試分立元件的電阻、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)壓電源在測試 期間為各待測系統(tǒng)供電。示波器用于探測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語言編寫，通過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)試整個系統(tǒng)。在調(diào)試的過程中 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)試當軟件和硬件的基本功能分別調(diào)試后，進行軟硬件聯(lián)合調(diào)試及優(yōu)化。測試結(jié)果按照題目要求，分步測試滾球系統(tǒng)的功能題目要求試驗次數(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號區(qū)域（2）基本要求109排除干擾和誤差，試驗結(jié)果好（3）基本要求108達到指標且有富余程度（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（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年第十三屆全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽4.3.2 測試

17、分析與結(jié)論板球系統(tǒng)雖然是個經(jīng)典的控制系統(tǒng)，其涉及的知識多且面廣，沒有想象中 那么簡單。滾球控制系統(tǒng)的硬件的搭架特別耗時耗力，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)場購買。在這四天三夜里，我們隊 員爭分奪秒，在搭架好硬件后開始調(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，多少有些許遺憾。經(jīng)過小組討論分析，我們認為測試結(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)定會使攝像頭跟著平板擺動而搖晃，再好的程序沒有良好的硬 件基礎(chǔ)也不能很好發(fā)揮程序功能。程序的算法很多，只有進行多次修改協(xié)調(diào)才 能找出最利于實現(xiàn)題目要求指標。5 設(shè)計總結(jié)在學(xué)校里我們學(xué)習(xí)到的知識和簡單的動手實踐，要轉(zhuǎn)化成為社會的生產(chǎn)力 還需要一個平臺。全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽給我們提供了一個培養(yǎng)創(chuàng)新、協(xié)作 和鉆研精神的平臺，是大學(xué)生展現(xiàn)自己、積累經(jīng)驗的舞臺。 參加過“瑞薩杯” 電子設(shè)計競賽的人，都從中體會到了奮斗的快樂、團隊力量的偉大和來自壓力 的動力。培訓(xùn)到競賽是一個漫長的過程，期間心態(tài)很重要，會遇到很多問題，比如： 做訓(xùn)練時不懂的知識，硬件、軟件調(diào)不出來，隊員之間的矛盾，外界壓力等， 都需要我們?nèi)タ朔?。隊員多交流！交流不僅能促進隊員們的學(xué)習(xí)，還能及時發(fā) 現(xiàn)問題處理問題，利用一切