全國電子設計大賽報告一等獎

3/3全國電子設計大賽報告一等獎2013年全國大學生電子設計競賽

簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置（C題）

【本科組】

目錄

一、設計任務與要求(4)

1設計任務(4)

2設計要求(4)

二系統(tǒng)方案(5)

1系統(tǒng)結(jié)構(5)

2方案比較與選擇(5)

（1）角度傳感器方案比較與選擇(5)

（2）驅(qū)動器方案比較與選擇(6)

三理論分析與計算(6)

1電機的選型(6)

2擺桿狀態(tài)檢測(6)

3驅(qū)動與控制算法(7)

四電路與程序設計(7)

1電路設計(7)

（1）最小系統(tǒng)模塊電路(7)

（2）5110顯示模塊電路設計(8)

（3）電機驅(qū)動模塊電路設計(9)

（4）角位移傳感器模塊電路設計(9)

（5）電源穩(wěn)壓模塊設計(9)

2程序結(jié)構與設計(10)

五系統(tǒng)測試與誤差分析(11)

5.1測試方案(11)

5.2測試使用儀器(11)

5.3測試結(jié)果與誤差分析(11)

6結(jié)論(12)

一、設計任務與要求

1設計任務

設計并制作一套簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置。旋轉(zhuǎn)倒立擺的結(jié)構如圖1所示。電動機A固定在支架B上，通過轉(zhuǎn)軸F驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臂C旋轉(zhuǎn)。擺桿E通過轉(zhuǎn)軸D固定在旋轉(zhuǎn)臂C的一端，當旋轉(zhuǎn)臂C在電動機A驅(qū)動下作往復旋轉(zhuǎn)運動時，帶動擺桿E在垂直于旋轉(zhuǎn)臂C的平面作自由旋轉(zhuǎn)。如下圖所示

2設計要求

基本要求：①擺桿從處于自然下垂狀態(tài)開始，驅(qū)動電機帶動旋轉(zhuǎn)臂作往復旋轉(zhuǎn)使擺桿擺動，并盡快使擺角達到或超過﹣60°~+60°；②從擺桿處于下垂狀態(tài)開始，盡快增大擺桿的擺動幅度，直至完成圓周運動；③在擺桿處于自然下垂狀態(tài)下，外力拉起擺桿至接近165°位置，外力撤出同時，啟動控制旋轉(zhuǎn)臂使擺桿保持倒立狀態(tài)時間不少于5s；期間旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動不大于90°。

發(fā)揮部分：①從擺桿處于自然下垂狀態(tài)開始，控制旋轉(zhuǎn)臂作往復旋轉(zhuǎn)運動，盡快使擺桿擺起倒立，保持倒立時間不少于10s；②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內(nèi)回復倒立狀態(tài)；③在擺桿保持倒立狀態(tài)的前提下，旋轉(zhuǎn)臂作圓周運動，并盡快使單方向轉(zhuǎn)過角度達到或超過360°。

二系統(tǒng)方案

1系統(tǒng)結(jié)構

系統(tǒng)包括MC9S12XS128單片機；直流電機和電機驅(qū)動模塊；角位移傳感器。由直流電機來控制旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動從而來使擺桿擺動，在擺桿的轉(zhuǎn)軸處加上角位移傳感器，使擺桿一開始能快速得擺動出來，并且能保持倒立的狀態(tài)，框圖如下：

2方案比較與選擇

（1）角度傳感器方案比較與選擇

方案①選擇角位移傳感器：角位移傳感器它采用非接觸式專利設計，與同步分析器和電位計等其他傳統(tǒng)的角位移測量儀相比，有效地提高了精度。

方案②選擇陀螺儀：陀螺儀傳感器最主要的特性是它的穩(wěn)定性和進動性。

它是用來感測和維持方向的裝置，主要用在航空來判斷方向，在此次設計中想到用陀螺儀來控制擺桿角度，但判斷比較復雜，不實用。

因此我們選擇角位移傳感器。

（2）驅(qū)動器方案比較與選擇

方案①選擇L298：L298工作電壓為12V，電流到2A。但是它的驅(qū)動能力弱，不滿足我們的需求。

方案②選擇BTN7971：相對于L298,這款驅(qū)動器有著跟強大得驅(qū)動能力。它與單片機5V隔離保護單片機；它的PWM1，PWM2最高支持15V，此驅(qū)動集成的模塊反應迅速，發(fā)熱量小。

因此我們選擇BTN7971。

三理論分析與計算

1電機的選型

一開始我們選擇步進電機：步進電機可以實現(xiàn)開環(huán)控制，即通過驅(qū)動器信號輸入的脈沖數(shù)量和頻率實現(xiàn)步進電機的角度和速度控制，無需反饋信號。它可以旋轉(zhuǎn)極小的角度，從而實現(xiàn)倒立擺的功能。但我們實際操作起來轉(zhuǎn)速比較慢，加上旋轉(zhuǎn)臂等后速度緩慢。

后來選擇直流電機：通過直流電機來帶動旋轉(zhuǎn)臂，從而帶動擺桿。直流電機控制簡單，只要加上合適的電壓就會轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速相比步進電機更快，比較適合本題的要求，而且更適用于PD算法，便于擺桿保持倒立狀態(tài)。

2擺桿狀態(tài)檢測

擺桿狀態(tài)的檢測主要要用角位移傳感器，然后通過芯片內(nèi)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PID算法調(diào)節(jié)電機直立效果。假如當擺桿在倒立狀態(tài)時，然后用手往右旋轉(zhuǎn)一個角度后松手（采用PD算法，當偏離平衡角度越大，則PD反饋給電機占空比的值就越大），角位移傳感器則將角度信號傳給AD，再通過PID算法給芯片，讓電機向右旋轉(zhuǎn)，使擺桿能保持倒立的狀態(tài)。

3驅(qū)動與控制算法

擺桿的運動時一個連續(xù)變化的過程，旋轉(zhuǎn)的變化也是一個連續(xù)漸變的過程。在連續(xù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，按偏差，比列，微分，積分進行的PID控制技術一種應用最廣泛的控制方式。他具有龐簡單，易于實現(xiàn)，適用面廣等一系列優(yōu)點。

連續(xù)PID控制器也稱比列—積分—微分指控器，即過程控制是按誤差的比列，積分和微分對系統(tǒng)進行控制。

PID算法的控制數(shù)學模型為：

本程序采用PD控制，能夠加大系統(tǒng)的反應速度。

四電路與程序設計

1電路設計

（1）最小系統(tǒng)模塊電路

此次設計我們采用MC9S12XS128單片機，它是一款增強型16位單片機，該單片機采