全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽報(bào)告一等獎(jiǎng)

1、-. z.2013年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置C題【本科組】摘要：通過(guò)對(duì)該測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)造和特點(diǎn)的分析，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)了以微控制器MC9S12*S128系列單片機(jī)為核心的旋轉(zhuǎn)倒立擺控制系統(tǒng)。通過(guò)采集的角度值與平衡位置進(jìn)展比擬，使用PD算法，從而到達(dá)控制電機(jī)的目的。其工作過(guò)程為：角位移傳感器WDS35D通過(guò)對(duì)擺桿擺動(dòng)過(guò)程中的信號(hào)采集然后經(jīng)過(guò)A/D采樣后反響給主控制器。控制器根據(jù)角度傳感器反響信號(hào)進(jìn)展PID數(shù)據(jù)處理，從而對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)做出調(diào)整，進(jìn)展可靠的閉環(huán)控制，使用按鍵調(diào)節(jié)P、D的值，同時(shí)由顯示模塊顯示當(dāng)前的P、D值。關(guān)鍵字：倒立擺、直流電機(jī)、MC9S12*S128單

2、片機(jī) 、角位移傳感器WDS35D、PD算法目錄TOC o 1-2 h u HYPERLINK l _Toc15339 一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 PAGEREF _Toc15339 3 HYPERLINK l _Toc11732 1 設(shè)計(jì)任務(wù) PAGEREF _Toc11732 3 HYPERLINK l _Toc11165 2 設(shè)計(jì)要求 PAGEREF _Toc11165 3 HYPERLINK l _Toc30377 二 系統(tǒng)方案 PAGEREF _Toc30377 4 HYPERLINK l _Toc19327 1 系統(tǒng)構(gòu)造 PAGEREF _Toc19327 4 HYPERLINK l _To

3、c24956 2 方案比擬與選擇 PAGEREF _Toc24956 4 HYPERLINK l _Toc32440 1 角度傳感器方案比擬與選擇 PAGEREF _Toc32440 4 HYPERLINK l _Toc29533 2 驅(qū)動(dòng)器方案比擬與選擇 PAGEREF _Toc29533 5 HYPERLINK l _Toc12944 三 理論分析與計(jì)算 PAGEREF _Toc12944 5 HYPERLINK l _Toc22280 1 電機(jī)的選型 PAGEREF _Toc22280 5 HYPERLINK l _Toc22300 2 擺桿狀態(tài)檢測(cè) PAGEREF _Toc22300

4、5 HYPERLINK l _Toc4952 3 驅(qū)動(dòng)與控制算法 PAGEREF _Toc4952 5 HYPERLINK l _Toc23141 四 電路與程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc23141 6 HYPERLINK l _Toc15982 1 電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc15982 6 HYPERLINK l _Toc8567 1最小系統(tǒng)模塊電路 PAGEREF _Toc8567 6 HYPERLINK l _Toc23265 25110顯示模塊電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc23265 7 HYPERLINK l _Toc5952 3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì) PAGEREF

5、_Toc5952 8 HYPERLINK l _Toc14267 4角位移傳感器模塊電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc14267 8 HYPERLINK l _Toc26417 5電源穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc26417 8HYPERLINK l _Toc12557 2 程序構(gòu)造與設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc12557 9 HYPERLINK l _Toc27119 五 系統(tǒng)測(cè)試與誤差分析 PAGEREF _Toc27119 10 HYPERLINK l _Toc24152 5.1 測(cè)試方案 PAGEREF _Toc24152 10 HYPERLINK l _Toc15521 5

6、.2 測(cè)試使用儀器 PAGEREF _Toc15521 10 HYPERLINK l _Toc25896 5.3 測(cè)試結(jié)果與誤差分析 PAGEREF _Toc25896 10 HYPERLINK l _Toc32670 6 結(jié)論 PAGEREF _Toc32670 11 HYPERLINK l _Toc6540 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc6540 11 HYPERLINK l _Toc24448 附錄1 程序清單局部 PAGEREF _Toc24448 12 HYPERLINK l _Toc9046 附錄2 主板電路圖 PAGEREF _Toc9046 15 HYPERLINK l _

7、Toc25583 附錄3 主要元器件清單 PAGEREF _Toc25583 16一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一套簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置。旋轉(zhuǎn)倒立擺的構(gòu)造如圖1所示。電動(dòng)機(jī)A固定在支架B上，通過(guò)轉(zhuǎn)軸F驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂C旋轉(zhuǎn)。擺桿E通過(guò)轉(zhuǎn)軸D固定在旋轉(zhuǎn)臂C的一端，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臂C在電動(dòng)機(jī)A驅(qū)動(dòng)下作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)擺桿E在垂直于旋轉(zhuǎn)臂C的平面作自由旋轉(zhuǎn)。如下列圖所示2 設(shè)計(jì)要求根本要求：擺桿從處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開(kāi)場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)使擺桿擺動(dòng)，并盡快使擺角到達(dá)或超過(guò)60+60；從擺桿處于下垂?fàn)顟B(tài)開(kāi)場(chǎng)，盡快增大擺桿的擺動(dòng)幅度，直至完成圓周運(yùn)動(dòng)；在擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)下，外力拉起擺桿至

8、接近165位置，外力撤出同時(shí)，啟動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)臂使擺桿保持倒立狀態(tài)時(shí)間不少于5s；期間旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)不大于90。 發(fā)揮局部：從擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開(kāi)場(chǎng)，控制旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，盡快使擺桿擺起倒立，保持倒立時(shí)間不少于10s；在擺桿保持倒立狀態(tài)下，施加干擾后擺桿能繼續(xù)保持倒立或2s回復(fù)倒立狀態(tài)；在擺桿保持倒立狀態(tài)的前提下，旋轉(zhuǎn)臂作圓周運(yùn)動(dòng)，并盡快使單方向轉(zhuǎn)過(guò)角度到達(dá)或超過(guò)360。二 系統(tǒng)方案1 系統(tǒng)構(gòu)造系統(tǒng)包括MC9S12*S128單片機(jī)；直流電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；角位移傳感器。由直流電機(jī)來(lái)控制旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)從而來(lái)使擺桿擺動(dòng)，在擺桿的轉(zhuǎn)軸處加上角位移傳感器，使擺桿一開(kāi)場(chǎng)能快速得擺動(dòng)出來(lái)，并且能保持倒立的狀態(tài)

9、，框圖如下：MC9S12*S128單片機(jī)BTN7971驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)角位移傳感器擺桿內(nèi)置AD2 方案比擬與選擇1 角度傳感器方案比擬與選擇方案選擇角位移傳感器：角位移傳感器它采用非接觸式專利設(shè)計(jì)，與同步分析器和電位計(jì)等其他傳統(tǒng)的角位移測(cè)量?jī)x相比，有效地提高了精度。 方案選擇陀螺儀：陀螺儀傳感器最主要的特性是它的穩(wěn)定性和進(jìn)動(dòng)性。它是用來(lái)感測(cè)和維持方向的裝置，主要用在航空來(lái)判斷方向，在此次設(shè)計(jì)中想到用陀螺儀來(lái)控制擺桿角度，但判斷比擬復(fù)雜，不實(shí)用。因此我們選擇角位移傳感器。2 驅(qū)動(dòng)器方案比擬與選擇方案選擇L298：L298工作電壓為12V，電流到2A。但是它的驅(qū)動(dòng)能力弱，不滿足我們的需求。方案選擇BT

10、N7971：相對(duì)于L298,這款驅(qū)動(dòng)器有著跟強(qiáng)大得驅(qū)動(dòng)能力。它與單片機(jī)5V隔離保護(hù)單片機(jī)；它的PWM1，PWM2最高支持15V，此驅(qū)動(dòng)集成的模塊反響迅速，發(fā)熱量小。因此我們選擇BTN7971。三 理論分析與計(jì)算1 電機(jī)的選型一開(kāi)場(chǎng)我們選擇步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)控制，即通過(guò)驅(qū)動(dòng)器信號(hào)輸入的脈沖數(shù)量和頻率實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的角度和速度控制，無(wú)需反響信號(hào)。它可以旋轉(zhuǎn)極小的角度，從而實(shí)現(xiàn)倒立擺的功能。但我們實(shí)際操作起來(lái)轉(zhuǎn)速比擬慢，加上旋轉(zhuǎn)臂等后速度緩慢。后來(lái)選擇直流電機(jī)：通過(guò)直流電機(jī)來(lái)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂，從而帶動(dòng)擺桿。直流電機(jī)控制簡(jiǎn)單，只要加上適宜的電壓就會(huì)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速相比步進(jìn)電機(jī)更快，比擬適合此題的要求，而且

11、更適用于PD算法，便于擺桿保持倒立狀態(tài)。2 擺桿狀態(tài)檢測(cè)擺桿狀態(tài)的檢測(cè)主要要用角位移傳感器，然后通過(guò)芯片置AD每隔0.5ms讀取到數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成角度，通過(guò)PID算法調(diào)節(jié)電機(jī)直立效果。假設(shè)當(dāng)擺桿在倒立狀態(tài)時(shí)，然后用手往右旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后松手采用PD算法，當(dāng)偏離平衡角度越大，則PD反響給電機(jī)占空比的值就越大，角位移傳感器則將角度信號(hào)傳給AD，再通過(guò)PID算法給芯片，讓電機(jī)向右旋轉(zhuǎn)，使擺桿能保持倒立的狀態(tài)。3 驅(qū)動(dòng)與控制算法擺桿的運(yùn)動(dòng)時(shí)一個(gè)連續(xù)變化的過(guò)程，旋轉(zhuǎn)的變化也是一個(gè)連續(xù)漸變的過(guò)程。在連續(xù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，按偏差，比列，微分，積分進(jìn)展的PID控制技術(shù)一種應(yīng)用最廣泛的控制方式。他具有龐簡(jiǎn)單，

12、易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣等一系列優(yōu)點(diǎn)。連續(xù)PID控制器也稱比列積分微分指控器，即過(guò)程控制是按誤差的比列，積分和微分對(duì)系統(tǒng)進(jìn)展控制。PID算法的控制數(shù)學(xué)模型為：本程序采用PD控制，能夠加大系統(tǒng)的反響速度。四 電路與程序設(shè)計(jì)1 電路設(shè)計(jì)1最小系統(tǒng)模塊電路此次設(shè)計(jì)我們采用MC9S12*S128單片機(jī)，它是一款增強(qiáng)型16位單片機(jī)，該單片機(jī)采用CPU12* V2核，可運(yùn)行在40MHz總線頻率上。存儲(chǔ)器：128KB FLASH；2KB EEPROM;8KB RAM 。 A/D:16通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器；可選8位，10位和12位精度。PWM：8位9通道或16位4通道PWM。所有考慮用此芯片為最小系統(tǒng)。25110顯示模塊

13、電路設(shè)計(jì)5110顯示屏是一款經(jīng)典的機(jī)型，它的性價(jià)比高，可以顯示15個(gè)漢字，30個(gè)字符。價(jià)格廉價(jià)。接口就四根I/O即可驅(qū)動(dòng)，速度快。用它來(lái)顯示PID的P和D的數(shù)值。其按鍵1為選擇參數(shù)，按鍵2為增加參數(shù)值，按鍵3為減少參數(shù)值，按鍵4為啟動(dòng)鍵，如下列圖所示。3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)此次倒立擺的旋轉(zhuǎn)臂由直流電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)，通過(guò)BTN7971驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)。BTN7971部包含2通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，可以方便的驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。BTN7971的供電電壓典型值為7.2V，電流為1A。BTN7971驅(qū)動(dòng)模塊連線為：VCC接5V給芯片供電；EN端接高電平使能；P1/P5為PWM占空比控制與單片機(jī)連接；OUT1/2連接直流電

14、機(jī)。4角位移傳感器模塊電路設(shè)計(jì)該WDS35D傳感器采用特殊形狀的轉(zhuǎn)子和繞線線圈，模擬線性可變差動(dòng)傳感器的線性位移，有較高的可靠性和性能，轉(zhuǎn)子軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生線性輸出信號(hào)，圍繞出廠預(yù)置的零位移動(dòng)60度。此輸出信號(hào)的相位指示離開(kāi)零位的位移方向。轉(zhuǎn)子的非接觸式電子耦合使傳感器具有無(wú)限的分辨率，即絕對(duì)測(cè)量度可到達(dá)零點(diǎn)幾度。 用高精度角位移傳感器WDS35D來(lái)采集擺桿的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，本系統(tǒng)采用一個(gè)角度傳感器裝在轉(zhuǎn)軸上。這樣可以控制電機(jī)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)動(dòng)。只需給傳感器一個(gè)5V的電壓，當(dāng)使擺桿擺動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)軸會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器也會(huì)隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)并且輸出一系列連續(xù)變化的模擬值?？梢詫⒃撃M值直接送給單片機(jī)部的AD進(jìn)展采樣再用數(shù)學(xué)擬

15、合算法曲線處理之后控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。傳感器A/D轉(zhuǎn)換控制器角度信號(hào)電壓信號(hào)數(shù)字信號(hào)采集電壓：；。由這兩個(gè)公式推算出5電源穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)如下列圖為電源穩(wěn)壓模塊，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的5V的電壓來(lái)供電。2 程序構(gòu)造與設(shè)計(jì)顯示P,D值開(kāi)場(chǎng)超頻，初始化端口5110初始化，清屏For；按鍵掃描參數(shù)修改五 系統(tǒng)測(cè)試與誤差分析5.1 測(cè)試方案硬件檢測(cè)：采用數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)電路板連接情況測(cè)試。根底局部檢測(cè)：根底局部的三個(gè)要求。發(fā)揮局部檢測(cè)：發(fā)揮局部的三個(gè)要求。5.2 測(cè)試使用儀器量角器，數(shù)字萬(wàn)用表VC890D，示波器DS2101，秒表。5.3 測(cè)試結(jié)果與誤差分析擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)，觀察擺角到達(dá)60和時(shí)間。次數(shù)1234時(shí)間2s

16、1.9s1.89s1.94s擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)，觀察擺桿完成圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)間次數(shù)1234時(shí)間3.5s3.2s3.5s3.5s擺桿處入自然下垂?fàn)顟B(tài)，外力拉起擺桿接近165，擺桿保持倒立不少于5s，觀察旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。次數(shù)1234角度0.50.6失敗0.5失敗原因：電機(jī)馬力缺乏，pd值未調(diào)好。擺桿處入自然下垂?fàn)顟B(tài)，然后盡快讓擺桿倒立并保持10s以上，觀察所需時(shí)間。次數(shù)1234時(shí)間失敗失敗失敗失敗失敗原因：電機(jī)馬力缺乏，擺桿頭重腳輕而且調(diào)試時(shí)間缺乏，導(dǎo)致PD值未調(diào)好結(jié)論本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心局部，根據(jù)角度傳感器采集來(lái)的信息，經(jīng)計(jì)算得出數(shù)據(jù)來(lái)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而到達(dá)系統(tǒng)的根本要求。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，力求硬

17、件線路簡(jiǎn)單，充分發(fā)揮軟件編程靈活的特點(diǎn)，來(lái)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。因?yàn)闀r(shí)間有限，該系統(tǒng)還有許多值得修改的地方；比方對(duì)此系統(tǒng)來(lái)講，PID算法并不是最優(yōu)算法；硬件電路的設(shè)計(jì)還需優(yōu)化，以減小系統(tǒng)的阻力等等。因此，系統(tǒng)還有待改良。在這段時(shí)間的試驗(yàn)過(guò)程中，我們遇到過(guò)許多的問(wèn)題，需要我們自己去考慮，去動(dòng)手，去解決。平時(shí)我們多是時(shí)間只是在學(xué)習(xí)理論知識(shí)，在準(zhǔn)備比賽和進(jìn)展比賽這段時(shí)間，我們將平時(shí)課本上學(xué)習(xí)的知識(shí)真正的運(yùn)用到實(shí)踐中，經(jīng)過(guò)此次競(jìng)賽我們認(rèn)識(shí)到了團(tuán)隊(duì)合作的重要性，充分領(lǐng)會(huì)了大賽的精神，全隊(duì)每個(gè)成員均得到珍貴的創(chuàng)作經(jīng)歷。參考文獻(xiàn)1大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì).第五屆全國(guó)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品編選.：理工大學(xué)，200

18、32何立民.單片機(jī)高級(jí)教程應(yīng)用設(shè)計(jì).：航空航天大學(xué)，20003朱定華.單片機(jī)原理與接口技術(shù).電子工業(yè)，20064吳建平.傳感器原理及應(yīng)用.：機(jī)械工業(yè)，20095郁有文.傳感器原理及工程應(yīng)用.：電子科技大學(xué)，2008附錄1 程序清單局部/主函數(shù)#include /* mon defines and macros */#include derivative.h /* derivative-specific definitions */#include init.h #define PITTIME 800 /定時(shí)，1000*5usint PJT=478; /平衡位置角度傳感器Ad值void PLL(

19、void) /48MHz 外部時(shí)鐘16MHz CLKSEL=0*00; /制止使用鎖相環(huán)，系統(tǒng)頻率=外部晶振，總線頻率=系統(tǒng)頻率/2PLLCTL_PLLON=1; /翻開(kāi)鎖相環(huán)SYNR =0*40 | 0*03; /PLLclock=2*osc*(1+SYNR)/(1+REFDV)=96M; REFDV=0*80 | 0*01; POSTDIV=0*00; _asm(nop); /當(dāng)POSTDIV=0*00時(shí)，BUS CLOCK=PLLclock/2=48M_asm(nop);while(!(CRGFLG_LOCK=1); /等待鎖相環(huán)初始化完成CLKSEL_PLLSEL =1; /使用鎖相環(huán)

20、頻率作為系統(tǒng)頻率void PIT_init(void) /定時(shí)中斷初始化函數(shù)5uS定時(shí)中斷設(shè)置 PITCFLMT_PITE=0; /PIT制止PITCE_PCE0=1; /定時(shí)器通道0使能PITMTLD0=199; /8位定時(shí)器初值設(shè)定,240分頻，在48MHzBusClock下，為0.2MHz。即5usPITLD0=PITTIME-1; /16位定時(shí)器初值設(shè)定。10msPITINTE_PINTE0=1; /定時(shí)器中斷通道0中斷使能PITMU*_PMU*0=0; /通道0的16位定時(shí)器與微時(shí)基0連接PITCFLMT_PITE=1; /PIT使能void main(void) /* put yo

21、ur own code here */ DisableInterrupts; IRQCR=0*00; /關(guān)閉PE0 1中斷 ECLKCTL=0*C0; /關(guān)閉PE4 ECLOCK PLL(); INIT_PWM(); INIT_AD(); PIT_init(); UART_Init (); DDRA=0*FF; PORTA=0*00; PORTB=0*00; DDRB=0*00; LCD_init(); /初始化LCD模塊 LCD_clear(); /清屏幕 *ian();EnableInterrupts; for(;) keyscan(); canshu*iugai(); jdp(KKK); jdd(KKP);/初始化頭文件#ifndef _INIT_H_#define _INIT_H_e*tern void INIT_AD(void) ;e*tern unsigned int AD_capture(unsigned char