2013年全国电子设计大赛C题-设计报告

题目：简易旋转倒立摆及控制装置（C题）参赛学校：江苏师范大学队伍编号：XZ015参赛队员：徐园明、刘海腾、黄波指导教师：朱士虎、王立巍2013年9月7日目录摘要1Abstract11方案论证与比较21.1电机类型的论证与选择21.2单片机的论证与选择21.3电机驱动电路的论证与选择21.4角度传感器的论证与选择32系统实现方框图和电路设计42.1系统总体框架图和实物构架图42.2硬件电路设计52.2.1电位器电路52.2.2显示模块的电路52.2.3电机驱动电路63系统软件设计73.1精密电位器误差计算73.2倒立摆控制策略73.3系统流程图94测试方案与测试结果104.1测试仪器104.2测试结果104.3测试结果分析11参考文献12摘要本文以STC12C5A60S2单片机为控制核心，通过角度传感器实时检测出倒立摆的位置并由单片机计算，计算PID控制算法，实现对直流电机转速的控制，达到倒立摆的动态平衡。同时系统可以通过键盘设定运行模式和相关角度值，倒立摆运行角度和运行时间由液晶显示，具有较好人机界面。系统设计结构简单，制作成本低，控制精度高。关键字：STC12C5A60S2倒立摆PIDAbstractThispapertakesSTC12C5A60S2singlechipasthecontrolcore,Throughthereal-timedetectionoftheinvertedpendulum'spositionandanglesensoriscomposedofasinglechipcomputercalculation,CalculationofPIDcontrolalgorithm,ControlthespeedoftheDCmotor,Toachievethedynamicbalanceoftheinvertedpendulum.Atthesametimethesystemcanbesetthroughthekeyboardoperationmodeandrelatedanglevalues.Invertedpendulummovementangleandrunningtimebytheliquidcrystaldisplay,Withgoodman-machineinterface.Thesystemhastheadvantagesofsimplestructuredesign,Lowproductioncost,Highcontrolprecision.Keyword:STC12C5A60S2levelinvertedpendulumPID1方案论证与比较1.1电机类型的论证与选择方案一：采用步进电机。步进电机具有动态响应快、易于起停，易于正反转及变速的优点。但缺点是它以步进式跟进，角度小于一个步距角时是系统响应盲区，而且经过测试步进电机在控制旋转臂时，抖动性大并且容易出现卡顿现象，所以不适合单摆的控制。方案二：采用直流减速电机。扭矩大，体积小，驱动电路简单，稳定强，负载能力强等优点。综合比较以上两种电机，结合设计所需平稳的控制摆杆处于竖直状态，故选择直流减速电机。1.2单片机的论证与选择方案一：采用AT89C52单片机。AT89C52单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。方案二：采用STC89C52单片机。STC系列单片机具有低功耗、高速度、超强抗干扰等优点，具有32K可编程Flash存储器。方案三：采用STC12C5A60S2单片机本身带有有8路十位AD转换和2路PWM，而且处理速度比一般单片机要快，精度高。综合比较以上三种单片机。为了更方便、高精度、高速度地控制系统，完成题目要求，故选择STC12C5A60S2单片机为主控芯片。1.3电机驱动电路的论证与选择方案一：使用L298N芯片。L298N是一种高电压、大电流电机驱动芯片，最高工作电压可达46V，峰值电流可达3A，持续工作电流为2A。可以通过I/O口提供信号方便地控制直流电机或步进电机，但是容易发烫。方案二：使用BTS7960芯片。BTS7960芯片是集成的大电流半桥驱动，其内部包含一片NMOS、一片PMOS和一片半桥门集驱动。其输入信号为标准的TTL电平，直接与单片机相连就可以，降低系统的不稳定因素，而且可以用PWM调速。综合比较以上两种驱动芯片，由于电路要求精度高、稳定性好，能满足速度变换要求，故选择BTS7960芯片为驱动芯片。1.4角度传感器的论证与选择方案一：采用凌阳公司的MXD2020EL传感器。在正常工作下，传感器讲测到的倾角直接转换为占空比不同的频率输出。方案二：采用SCA60C传感器。该传感器抗干扰能力强，功耗低，输入信号为0.5V至4.5V的模拟电压。方案三：采用精密可调电位器，采集其可调端随摆杆摆动时输出的电压，经过A/D模数转换变成数字信号后，再将信号交给单片机处理，计算出摆杆偏离中心垂线的度数，切易于固定。综合比较以上三种传感器，MXD2020EL和SCA60C传感器都相对容易控制和计算，但它们的测量精度不够高，反应速度不够快，无法满足设计的需求，最重要是它们不容易固定在旋转臂上，故选择用电位器采集模拟信号再转换成数字信号测量的方法。2系统实现方框图和电路设计2.1系统总体框架图和实物构造图整个系统主要划分为以下七个模块：控制器模块、电机驱动模块、摆杆角度测量模块、转轴角度测量模块、键盘输入模块、液晶显示模块、电源模块。系统总体框架如图1所示，整体构造图如图2所示。摆杆角度测量模块电源模块摆杆角度测量模块电源模块电机驱动模块键盘输入模块控制器模块电机驱动模块键盘输入模块控制器模块液晶显示模块液晶显示模块图1总体框架图4411225533图2整体构造图图2中：1为铝制摆杆；2为直流减速电机；3为支架；4为精密电位器；5为摆杆。2.2硬件电路设计2.2.1电位器电路VCC在本控制系统中采用精密导电塑料电位器WDD35-1，它是一种电阻电位器，它的电性能决定了电位器的主要电性能。电阻体应有良好的阻值稳定性，较小的电阻温度系数和静噪声为了提高可靠性，它还应具有耐潮、耐热、耐磨、耐氧化、耐高负荷以及耐冷热骤变等性能。其实物图如图3所示。VCCP1^2P1^2GNDGND图3电位器图2.2.2显示模块的选择与设计倒立摆在运动过程中，要求显示摆角大小以及相关的时间参数，所以用RT1602液晶显示模块。字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD。液晶显示模块采用下图图4连接方式。RSRWERSRWED0D1::D7VSSP3.7P3.7P3.6P3.5P1.0P1.1::P1.7 VDD+5V 10k 电位器 图4显示模块图2.2.3电机驱动电路图5电机驱动电路图图5中通过PWM1和PWM2进行调速和左右转动。3系统的软件设计3.1精密电位器误差计算根据题目要求：杆能在60秒钟内出现杆处于水平面以上状态，并显示到达水平面以上的时间。将摆直立在180度处，然后使其自由摆动，以最快的速度控制摆停留在平衡状态，显示达到平衡位置的时间。故需对摆处于最低点位置（0°）和摆处于最高点位置（180°）反复检测，因此应该尽可能将精密电位器比较连续的位置固定在0°和180°位置。摆棍处于最低端视ad采样值为120，处于最上端时ad采样值为671，其与角度转换关系为公式（1） （1）精密电位器的基准电压为2.5v，AVR单片机使用内部的基准电压为2.56v，ad转换的范围为0-1024，经计算全压时ad转换结果为1000；而我们用上公式计算360度时ad值为1102。需要计算的角度范围为-5度到5度和165度到195度，经计算为104到136和625到717。3.2倒立摆控制策略针对本系统中角度传感器采样较慢，控制对象伺服电机滑动模块惯性大、滞后大的特点，我们选用了位置式按角度偏差的比例、积分、微分进行控制，即增量式数字PID控制。数字PID控制算法是以模拟PID调节器控制为基础的，由于单片机是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量。但是如果采样周期T取得足够小，采用数值计算的方法逼近可相当准确，被控过程与连续控制十分接近。离散化后的PID算式为公式（2） （2）（2）式中：K:比例系数:偏差为零时的控制作用:积分时间:微分时间T:采样时间以上公式称为位置式算法。由它可推出增量式算法公式（3）（3）在本设计中采用了增量式算法，这是由于增量式算法只需保持以前三个时刻的偏差即可，既节省了资源又不会产生较大的积累误差。式中各系数由反复实践后确定，实验证明，这种控制方式可以加快系统阶跃响应、减小超调量，并具有较高的精度。3.3系统整体流程图本系统采用按键执行命令，每个按键执行一项要求。图５整体流程图4测试方案与测试结果4.1测试仪器自制倒立摆装置：直流减速电机、旋转臂（长40cm)、摆杆（长19cm，横截面0.9cm*0.9cm）、精密电位器、量角器。4.2测试结果摆杆从自然下垂状态开始，驱动电机带动旋转臂往复旋转使摆杆摆动，由测量角度测定摆杆的角度值，测量结果如表1：表1测试次数测试一测试二测试三测试四测试五摆角最大值70-7769-7281摆杆从下垂状态开始，增大摆杆摆角幅度，使摆杆尽快做圆周运动，摆杆从摆动至做完一个圆周运动所用时间如表2：表2测试次数测试一测试二测试三测试四测试五时间/s2.33.13.52.93.7在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近165°位置，外力撤除同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于5s；期间旋转臂的转动角度不大于90°,实际测试摆杆倒立时间如表3。表3测试次数测试一测试二测试三测试四测试五倒立时间5.3s5.7s6.1s5.6s5.9s4.3测试结果分析系统总体上达到较好的性能。倒立摆能够实现动态倒立，且运行的时间误差在允许范围内。倒立摆运行性能较好，制作成本低，性价比较高。倒立摆控制的误差主要来源于直流伺服电机、角度传感器和倒立摆机械结构。直流伺服电机在低速运动时，控制存在死区，低脉宽时电机不运动。角度传感器由精密电位器改制，存在角度死区，精度不足。导轨硬度不够，滑动模块长时间滑动造成导轨下弯，滑动模块在运动中摩擦力不均匀。因此，采用具有更好启动、制动和调速特性直流电机、精度更高的角度