簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置C題

1、簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置（C 題 ）摘要：本系統(tǒng)以由stc12單片機作為中心控制系統(tǒng)，由編碼器模塊、電機驅(qū)動模塊、液晶顯示模塊、電源電路組成。角度監(jiān)測模塊采用采用雙向編碼器，實時測量擺桿與垂直方向的夾角；電機驅(qū)動部分使用BTS7960驅(qū)動芯片驅(qū)動直流電機較精確地控制擺桿的靈敏度；人機交互界面采用LCD液晶5110顯示擺桿的擺角，具有操作簡單，控制界面直觀、簡潔，系統(tǒng)性能指標(biāo)達到了設(shè)計要求，工作可靠，功耗低，具有良好的人機交互性能。關(guān)鍵字：stc12 編碼器 BTS7960 5110顯示器Digest：This system by stc12 single chip microcomputer

2、as the central control system, by the encoder module, motor drive module, liquid crystal display module, power supply circuit. Point of view, the real time monitoring module adopts the bidirectional encoder measuring Angle of swinging rod and the vertical direction; Motor drive part use BTS7960 driv

3、er chip driven dc motor accurately control the sensitivity of swinging rod; The human-computer interaction interface adopts LCD liquid crystal display of swinging Angle of swinging rod of 5110, with the features of simple operation, intuitive control interface, concise, system performance index has

4、reached the design requirements, reliable operation, low power consumption, has the good man-machine interactive performance.Key words: stc12 encoder BTS7960 drive 5110 displays一、 引言 本題目要求設(shè)計一個簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及其控制裝置，它由三部分構(gòu)成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1-1：擺架系統(tǒng)：支架，擺桿，底座，平板，旋轉(zhuǎn)臂，旋轉(zhuǎn)臂連接擺桿頂部固定在電機上；驅(qū)動控制系統(tǒng)：單片機，直流電機，電機驅(qū)動器，電源，用以控制電機帶動旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動；

5、檢測系統(tǒng)：通過編碼器檢測出擺桿與垂直方向的傾角，將數(shù)據(jù)傳給單片機。 圖1 結(jié)構(gòu)總體框圖根據(jù)系統(tǒng)要求，需要進行系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計、制作以及調(diào)試，軟件系統(tǒng)的開發(fā)和算法的實現(xiàn)。應(yīng)重點進行一下幾方面的工作： 1、 確定系統(tǒng)的構(gòu)成。系統(tǒng)主要包括兩部分，一是基于旋轉(zhuǎn)倒立擺的支架系統(tǒng)； 二是單片機和電機的控制系統(tǒng)。 2、選擇合適的處理器設(shè)計主控板，完成傳感器、信號調(diào)理、電機驅(qū)動模塊等搭建測控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。 3、根據(jù)實際硬件平臺進行算法研究和軟件編寫，實現(xiàn)各模塊功能。 4、對傳感器進行調(diào)試，進行誤差分析，提高測控系統(tǒng)的準確度。二、 方案設(shè)計1 自由擺控制系統(tǒng)的原理與組成整個系統(tǒng)的工作流程：旋轉(zhuǎn)倒立過程中

6、，擺桿的角度變化經(jīng)編碼器檢測后轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，再由信號調(diào)理電路進行比較，傳入單片機，經(jīng)單片機處理器對這些數(shù)據(jù)進行實時處理，單片機經(jīng)給定的控制算法計算出角度變化后，發(fā)出一定占空比的pwm波，經(jīng)電機驅(qū)動放大后控制直流電機的轉(zhuǎn)動，進而電機帶動旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動完成擺桿的旋轉(zhuǎn)和倒立。2、方案論證與比較考慮到電機帶動旋轉(zhuǎn)臂運動和擺桿的運動相互聯(lián)系，可以作為轉(zhuǎn)軸的編碼器實時反饋得出任意時刻擺桿相對于垂直方向的角度，直接將其值發(fā)送至單片機，從而控制電機轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度而達到目的的運動。 現(xiàn)將各模塊方案比較如下：2、1 擺架框架的選擇方案一：采用木板做擺桿，材料方便，制作簡單，質(zhì)量較小，盡管在做旋轉(zhuǎn)運動時，空氣阻力對其有

7、影響，木質(zhì)材料的擺桿較輕，可以適當(dāng)?shù)募狱c配重，增加其慣性，更加方便電機對其旋擺隨時的控制。方案二：采用碳纖維桿做擺桿，相對于木質(zhì)材料來說，碳纖維桿較細，表面光滑，質(zhì)量與木質(zhì)材料不差上下，如加以配重，重心偏移比木質(zhì)材料大，很不方便電機對其方向隨時控制。為更好保持穩(wěn)定，減少系統(tǒng)本身可能導(dǎo)致的誤差，綜合以上兩種方案，選擇方案一。2、2 驅(qū)動電機的選擇 方案一：采用直流減速電機，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。齒輪減速箱的作用是，提供較低的轉(zhuǎn)速，較大的力矩。同時，齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉(zhuǎn)速和力矩。方案二：采用步進電機，步進電機能夠通過給定的脈沖周期

8、，實現(xiàn)任意速度的轉(zhuǎn)動，定矩運動較精確。但是靈活性低，且轉(zhuǎn)速慢。在此高靈活控制情況下難以滿足要求?？紤]到靈活性和精確度，綜合以上兩種方案，選擇方案一。 2、3 角度傳感器的選擇 方案一：采用單軸傾角傳感器，它的最大刷新率為20ms,能夠檢測出垂直傾角，即在能以最大50Hz的采樣頻率把角度值反饋給單片機。但是在擺桿做周旋轉(zhuǎn)的情況下，導(dǎo)線嚴重的影響了擺桿的旋轉(zhuǎn)，并且導(dǎo)線在旋轉(zhuǎn)的情況下可能會引起一系列的后果。 方案二：采用編碼器作為角度傳感器，雙向編碼器可以測出旋轉(zhuǎn)角度及其運動方向，只需一個編碼器直接安裝在旋轉(zhuǎn)臂的一端，編碼器的轉(zhuǎn)軸連接擺桿，代替了轉(zhuǎn)軸的制作，安裝方便。考慮到題目要求擺桿的旋轉(zhuǎn)，同時要

9、有較高的靈活性，且不能影響擺桿的運動，綜合以上兩種方案，選擇方案二。2、4 直流電機驅(qū)動的選擇方案一：采用L298驅(qū)動，L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片，內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機，但本次設(shè)計電機扭力要求較大，L298N驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)的時候會過熱。方案二：采用BTS7960驅(qū)動，本驅(qū)動器注重電機啟動速度，有效發(fā)揮電機功率，能承受大電流過載，電容電壓均為25V，具有的剎車功能可迅速將電機剎住，剎車迅速，制動明顯，實現(xiàn)此效果簡單容易操作?？紤]到本設(shè)計要求電機快速啟動，迅速反轉(zhuǎn)，綜合以上兩種方案，選擇方案二。2、5 顯示器的選擇

10、方案一：采用LCD1602液晶顯示器，LCD1602是工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。（16列2行）每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。并且占用較多的I/O口。方案二：采用LCD 5110液晶顯示器，Nokia/諾基亞5110 LCD是NOKIA 公司生產(chǎn)的可用于其5110、6150，6100 等系列移動電話的液晶顯示模塊，84x48 的點陣LCD，可以顯示4 行漢字，采用串行接口與主處理器進行通信，接口信號線數(shù)量

11、大幅度減少，傳輸速率高達4Mbps，可全速寫入顯示數(shù)據(jù)，無等待時間。綜合以上兩種方案，選擇方案二。三、 系統(tǒng)理論分析與計算3.1 電機型號選擇由于本次設(shè)計要求電機靈敏性高，并且扭矩大，所以本次設(shè)計選擇減速直流電機。在普通直流電機的基礎(chǔ)上，加上配套齒輪減速箱，提供較低的轉(zhuǎn)速，較大的力矩。適合本次設(shè)計要求的扭矩大、動作快的要求。3.2 擺桿狀態(tài)檢測出于旋轉(zhuǎn)要求的限制，通過導(dǎo)線將角度傳感器固定在擺桿上的測試方法已經(jīng)不能滿足要求了，本次設(shè)計采用了光電編碼器，它是集成光機電為一體的數(shù)字測角裝置，主要是以高精度計量光柵為檢測元件，通過光電轉(zhuǎn)換，將軸的機械角位移信息以LED光源為介質(zhì)通過光柵碼盤轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的

12、數(shù)字代碼，用他可以實現(xiàn)角位移、角速度、和角加速度及其他物理量的精確測量,輸出信號與計算機相連接,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字測量與數(shù)字控制,而且與其他同類用途的傳感器相比，具有精度高、測量范圍廣、使用可靠、易于維護等優(yōu)點。并且直接使用編碼器的轉(zhuǎn)軸當(dāng)作旋轉(zhuǎn)接口，方便安裝，通過編碼器AB相位差可以計算出此時擺桿的旋轉(zhuǎn)方向。3.3 算法控制本次設(shè)計的算法是基于PID算法上進行的。PID是一個有比例(P)、積分(I)、微分(D)控制閉環(huán)控制算法3.31、比例控制規(guī)律P：采用P控制規(guī)律能較快地克服擾動的影響，它的作用于輸出值較快，但不能很好穩(wěn)定在一個理想的數(shù)值，不良的結(jié)果是雖較能有效的克服擾動的影響，但有余差出現(xiàn)。

13、它適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差的場合。如：金彪公用工程部下設(shè)的水泵房冷、熱水池水位控制；油泵房中間油罐油位控制等。 3.32、比例積分控制規(guī)律(PI)：在工程中比例積分控制規(guī)律是應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。積分能在比例的基礎(chǔ)上消除余差，它適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的場合。如：在主線窯頭重油換向室中F1401到F1419號槍的重油流量控制系統(tǒng)；油泵房供油管流量控制系統(tǒng)；退火窯各區(qū)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。3.33、比例微分控制規(guī)律(PD)：微分具有超前作用，對于具有容量滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項設(shè)

14、置得當(dāng)?shù)那闆r下，對于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)，有著顯著效果。因此，對于控制通道的時間常數(shù)或容量滯后較大的場合，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動態(tài)偏差等可選用比例微分控制規(guī)律。如：加熱型溫度控制、成分控制。需要說明一點，對于那些純滯后較大的區(qū)域里，微分項是無能為力，而在測量信號有噪聲或周期性振動的系統(tǒng)，則也不宜采用微分控制。如：大窯玻璃液位的控制。 3.34、例積分微分控制規(guī)律(PID)：PID控制規(guī)律是一種較理想的控制規(guī)律，它在比例的基礎(chǔ)上引入積分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它適用于控制通道時間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高的場合。如溫度控制、成分控制等。3.3

15、5、PID控制流程圖3.36、建模與控制方法分析：當(dāng)擺桿倒立是，擺桿旋轉(zhuǎn)度數(shù)為A，通過x1最高點向下面作垂線，與Y1相交，此時Y與Y1的夾角就是旋轉(zhuǎn)臂要旋轉(zhuǎn)的角度B。所以可得A與B的關(guān)系。X*sinA=Y*sin(B2)B=2arcsin(xy*sinA)此時B則是旋轉(zhuǎn)臂要旋轉(zhuǎn)的角度，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臂迅速旋轉(zhuǎn)角度B時，啟動PID調(diào)節(jié)，進而保持倒立。四、 電路與程序設(shè)計4.1電路的設(shè)計4.1.1系統(tǒng)總體框圖根據(jù)題目的要求，經(jīng)過仔細分析，充分考慮各種因素，制定了整體設(shè)計方案以51單片機stc12為控制芯片，完成四個方面的功能：系統(tǒng)總體框圖如下圖：圖2 系統(tǒng)總體框圖4.1.2主控制器模塊設(shè)計電路圖如下，我們

16、選用stc12c5a60s2主控單片機，通過stc12單片機的2路pwm輸出調(diào)節(jié)電機驅(qū)動，通過lcd顯示器顯示擺桿的角度，通過按鍵切換不同的模式。圖3 最小系統(tǒng)模塊電路圖4.1.3 角度檢測模塊本次設(shè)計角度檢測采用的是光電編碼器，通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)再加上編碼器的線數(shù)，可以計算到角度，此外碼盤提供相位相差90º的兩路脈沖信號可以得出旋轉(zhuǎn)的方向。圖4 編碼器4.1.4 電機驅(qū)動模塊本次采用BTS7960模塊，該模塊電路采用兩片BTS7960半橋芯片構(gòu)成全H橋，采用1路PWM控制，經(jīng)過反相器輸給兩片BTS7960。

17、最大電流43A，最大PWM頻率25KHz。響應(yīng)速度快，過流量大。圖5 7960模塊電路圖4.1.5 lcd顯示及按鍵模塊電路如下圖所示，采用lcd5110作為顯示器，lcd5110的1、2、3、4、5、7口接到單片機的I/O口，通過單片機可以顯示所需內(nèi)容。按鍵的一端接單片機的I/O口，通過按鍵的掃描，對不同按鍵賦予功能，并通過按鍵來進行對單片機操作的選擇。圖6 顯示及按鍵模塊電路圖4.2程序的設(shè)計4.2.1程序功能描述與設(shè)計思路1、程序功能描述本系統(tǒng)主要通過stc12單片機來控制電路的鍵盤輸入，旋轉(zhuǎn)倒立狀態(tài)控制的算法，顯示操作等功能，通過光電編碼器檢測擺桿與垂直方向的夾角。BTS7960驅(qū)動電

18、機實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)。通過鍵盤輸入系統(tǒng)的工作模式，并通過LCD直觀地顯示當(dāng)前工作模式及參數(shù)。4.2.2程序流程圖1、主程序流程圖軟件設(shè)計使系統(tǒng)控制更加靈活方便，系統(tǒng)軟件設(shè)計主流程如圖7所示。圖7 程序流程圖五、測試方案及測試結(jié)果5.1測試方案1、硬件測試硬件測試時，先用萬用表檢測印制板及焊接的質(zhì)量是否符合要求，有無虛焊及線路間有無短路、斷路，檢查無誤后，可通電檢測電源部分是否正常工作。用手旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臂和擺桿，檢測是否旋轉(zhuǎn)正常，有沒有偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。2、硬件軟件聯(lián)調(diào)（1）基本要求的測試第一次，我們設(shè)置擺桿的旋轉(zhuǎn)為模式1，擺桿從處于自然下垂?fàn)顟B(tài)（擺角0°u65289X開始，驅(qū)動電機帶動旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)使擺桿擺動，并盡快使擺角達到或超過-60° +60°u65307X第二次，