開題報(bào)告參考單片機(jī)

1、課題名院專業(yè)姓評指導(dǎo)教畢業(yè)設(shè)計(jì) / 論文題報(bào)告稱 基于小車的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（軟件設(shè)計(jì)）系 機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院班自動(dòng)化 1003 班名分師 李 靜華中科技大學(xué)武昌分畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告撰寫要求1. 開題報(bào)告主要內(nèi)容1）課題設(shè)計(jì)的目的和意義；2）課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容；3）設(shè)計(jì)方案；4）實(shí)施計(jì)劃。5）主要參考文獻(xiàn)：不少于 5 篇，其中外文文獻(xiàn)不少于 1 篇。2撰寫開題報(bào)告時(shí)，所選課題的課題名稱也不得多于25 個(gè)漢字，課題設(shè)計(jì)份量要適當(dāng)， 設(shè)計(jì)中必須是自己的設(shè)計(jì)內(nèi)容。3. 開題報(bào)告的字?jǐn)?shù)不少于 2000 字（藝術(shù)類專業(yè)不少于 1000字），格式按 華中科技大學(xué)武昌分校本科畢業(yè)設(shè)計(jì) / 論文撰寫規(guī)范的要求撰

2、寫。4. 指導(dǎo)教師和責(zé)任單位必須審查簽字。5開題報(bào)告單獨(dú)裝訂，本附件為封面，后續(xù)表格請從網(wǎng)上下載并用 A4 紙 打印后填寫。6. 此開題報(bào)告適用于全校各專業(yè)，部分特殊專業(yè)需要變更的，由所在系在 基礎(chǔ)上提出調(diào)整方案，報(bào)學(xué)校審批后執(zhí)行。華中科技大學(xué)武昌分校學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告學(xué)生姓名學(xué)號專業(yè)班級自動(dòng)化 1003 班系別機(jī)電與學(xué)自院動(dòng)化指導(dǎo)教師 職稱課題名稱基于小車的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（軟件部分）1 課題設(shè)計(jì)的目的和意義1.1 課題設(shè)計(jì)的目的通過完成基于小車的單級直線倒立擺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 將自動(dòng)化專業(yè)相關(guān)課程如控 制理論、電力電子技術(shù)、單片機(jī)原理及應(yīng)用、傳感器與檢測技術(shù)的理論知識融會貫通， 掌握單

3、片機(jī)控制系統(tǒng)的軟件、 硬件設(shè)計(jì)方法和基本的調(diào)試步驟等， 學(xué)習(xí)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方 法，學(xué)會分析、解決簡單的工程實(shí)際問題，為今后從事自動(dòng)化專業(yè)相關(guān)的設(shè)計(jì)、研發(fā)等 方面的工作打下一定基礎(chǔ)。1.2 課題設(shè)計(jì)的意義倒立擺的控制方法在軍工、 航天、機(jī)器人領(lǐng)域和一般工業(yè)過程中都有著廣泛的用途， 如機(jī)器人行走過程中的平衡控制、 火箭發(fā)射中的垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制等 均涉及到倒置問題， 因此對倒立擺系統(tǒng)的研究在理論和方法論上均有著深遠(yuǎn)的意義。 人 們一直在試圖尋找不同的控制方法來實(shí)現(xiàn)對倒立擺的控制， 以便檢查或說明該方法對嚴(yán) 重非線性和絕對不穩(wěn)定系統(tǒng)的控制能力。倒立擺是理想的自動(dòng)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，它能全方

4、位地滿足自動(dòng)控制教學(xué)的要求。 許多抽象的控制概念如系統(tǒng)穩(wěn)定性、 可控性、 系統(tǒng)收斂速度和系統(tǒng)抗干擾能力等， 都可 以通過倒立擺直觀地表現(xiàn)出來。2 課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容（1）查閱大量參考文獻(xiàn)， 了解課題的背景和意義等相關(guān)方面， 認(rèn)真完成開題報(bào)告 的撰寫和課題相關(guān)的外文文獻(xiàn)翻譯。（2）熟悉倒立擺系統(tǒng)的基本特點(diǎn)及數(shù)學(xué)建模。（3）熟練掌握單片機(jī)的基本編程語言和硬件設(shè)計(jì)方法。（4）設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案，對元器件等進(jìn)行合理選型。 （5）根據(jù)控制功能完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和加工，結(jié)合軟件程序進(jìn)行調(diào)試。（6）總結(jié)本課題設(shè)計(jì)過程中的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)踐，編寫完整的設(shè)計(jì)論文。3 設(shè)計(jì)方案3.1 設(shè)計(jì)模型初步設(shè)計(jì)模型如圖 3-1

5、 所示：圖 3-1 設(shè)計(jì)模型 該倒立擺以小車車輪為支點(diǎn)，以車體作為擺桿，通過車輪的前后運(yùn)動(dòng)使整體保持 平衡。3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件組成如圖 3-2 所示：圖 3-2 系統(tǒng)硬件組成CPU 的選型：考慮到系統(tǒng)需要進(jìn)行較為復(fù)雜的運(yùn)算， CPU 的選用嵌入式處理器 STM32F10。3 STM32F103最高頻率 72MHZ，運(yùn)算速度快效率高， 方便系統(tǒng)對速度傳感器的計(jì)數(shù)脈沖進(jìn) 行快速的處理。 STM32F103具有豐富的通用 I/O 端口，內(nèi)置 I2C 總線和正交解碼等接 口，方便編程，同時(shí)很低的功耗。角度檢測的實(shí)現(xiàn)： 角度檢測包含兩個(gè)部分：角速度檢測和加速度檢測。角度檢測是檢測倒立擺的傾 斜

6、變化率和加速度并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。傳感器采用MPU605。0整合性 6 軸運(yùn)動(dòng)處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)之軸間 差的問題，減少了大量的包裝和空間。速度檢測的實(shí)現(xiàn)： 速度檢測是測量電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速并將所測值反饋給單片機(jī)。選用的是光電碼盤測量 電機(jī)轉(zhuǎn)速，其中光電碼盤的線數(shù)是 334P/r 。光電碼盤與電機(jī)同軸，通過計(jì)單位時(shí)間內(nèi) 的脈沖個(gè)數(shù)運(yùn)算得出轉(zhuǎn)速，測量方法有 M法、T 法以及 MT法。單片機(jī)和光電碼盤之間 需要使用光耦合隔離電路。光耦合隔離電路采用 6N137。該光耦具有很快的轉(zhuǎn)換速率。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)： 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是根據(jù)單片機(jī)給出的控制指令，控制電機(jī)

7、的正、反轉(zhuǎn)，加、減速。驅(qū)動(dòng)模塊選用芯片 BTN7971B，一個(gè) BTN7971B是一個(gè)半橋，兩片結(jié)合在一起構(gòu)成一個(gè) 完整的 H 橋，能夠很好的驅(qū)動(dòng)一臺電機(jī)。 BTN7971B具有驅(qū)動(dòng)功率大， 能承受較大電流， 能很好的滿足系統(tǒng)的需要。電源的實(shí)現(xiàn)：STM32F103系統(tǒng)電壓為 3.3V ，電機(jī)輸入電壓范圍 6-12V，編碼器和光耦合隔離電 路供電電壓為 5V。采用 11V 的電池給系統(tǒng)供電，通過穩(wěn)壓電路得到所需要的電壓。使 用芯片 AMS1117輸出 3.3V 電壓， 7809輸出 9V電壓， 7805輸出 5V電壓。電機(jī)的選擇： 考慮到實(shí)際操作時(shí)需要的輸出扭矩和輸出轉(zhuǎn)速，電機(jī)選擇的是ASLON

8、GJG A25371型號減速電機(jī)，其中減速比為 1:34 ，最高轉(zhuǎn)速 126r/min 。3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)初始化完成后，首先任務(wù)調(diào)度程序。 等待調(diào)度的程序包括加速度計(jì)陀螺儀數(shù)據(jù)融合 程序，車模直立控制程序和速度控制程序。 然后檢查車模是否跌倒。 跌倒判斷可以通過 車模傾角是否超過一定范圍進(jìn)行確定。 一定車模跌倒， 則停止車模運(yùn)行。 然后重新進(jìn)入 任務(wù)調(diào)度。系統(tǒng)主程序框架如圖 3-3 所示：圖 3-3 主程序框架 任務(wù)的調(diào)度是通過系統(tǒng)的嘀嗒定時(shí)器中斷來實(shí)現(xiàn)的。 中斷控制節(jié)拍為 1ms。其中傳 感器數(shù)據(jù)融合采計(jì)算周期為 5ms，車模直立控制周期為 5ms，車模速度控制周期為 100ms。 嘀嗒

9、定時(shí)器中斷依次讓不同的任務(wù)按不同的節(jié)拍就緒， 并且任務(wù)調(diào)度會按一定的優(yōu)先級 執(zhí)行就緒任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的多任務(wù)系統(tǒng)，提高 CPU的利用率。傳感器數(shù)據(jù)融合的實(shí)現(xiàn)：陀螺儀的直接輸出值是相對靈敏軸的角速率， 角速率對時(shí)間積分即可得到圍繞靈敏 軸旋轉(zhuǎn)過的角度值。 由于系統(tǒng)采用微控制器循環(huán)采樣程序獲取陀螺儀角速率信息， 即每 隔一段很短的時(shí)間采樣一次， 所以采用累加的方法實(shí)現(xiàn)積分的功能來計(jì)算角度值。 加速 度計(jì)輸出的是線性加速度，通過三角函數(shù)關(guān)系可以確定傾斜角度。然而陀螺儀會產(chǎn)成漂移誤差。 而無論多么小的常值漂移通過積分都會得到無限大的角度誤差； 加速度計(jì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢， 不適合跟蹤動(dòng)態(tài)角度運(yùn)動(dòng)。 使用

10、互補(bǔ)濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)融 合。對于加速度計(jì)，需要采用低通濾波算法除去短時(shí)性快速變化的信號，保留長時(shí)性 緩慢變化的信號；對于陀螺儀，應(yīng)用高通濾波方法處理陀螺儀數(shù)據(jù)，來抑制陀螺儀積 分的漂移 。車模直立控制程序的實(shí)現(xiàn)： 直立控制是將獲取的角度值轉(zhuǎn)化為電機(jī)控制的輸出量。 將車模角度和角速度乘以各 自相應(yīng)的系數(shù)就可以得到直立控制輸出量。車模速度控制程序的實(shí)現(xiàn)： 通過編碼器測定當(dāng)前脈沖數(shù)值，再根據(jù)需要運(yùn)行的情況，通過 M法，T法，或 M/T法 計(jì)算出車模速度， 最后通過 PID算法調(diào)節(jié)速度。 PID算法中可以根據(jù)情況分離或添加積分 算法。系統(tǒng)中斷程序框架如圖 3-4 所示：進(jìn)入中斷圖 3-4 中斷程序框架4

11、實(shí)施計(jì)劃第七學(xué)期：（1）第 19 周至第 20周：查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，翻譯外文資料，撰寫開題報(bào)告。 第八學(xué)期：（2）第 1周至第 2 周：繼續(xù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，修改翻譯外文翻譯，完善開題 報(bào)告。（3）第 2 周：開題答辯。（4）第 3周至第 9周：進(jìn)行課題的理論研究， 論證并確定設(shè)計(jì)方案， 軟硬件設(shè)計(jì)， 實(shí)驗(yàn)測試，完成硬件電路與軟件程序綜合設(shè)計(jì)，完善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。（5）第10周至第 12周：撰寫設(shè)計(jì)論文，并完成論文初稿。（6）第13周至第 14周：檢查修改完善論文初稿，并定稿。（7）第 15 周：畢業(yè)設(shè)計(jì)評審及論文答辯，完成全部畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。5 主要參考文獻(xiàn)1 李群芳，張士軍，黃建單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù) 北京：電子工業(yè)出版社， 20102 王迎旭單片機(jī)原理及應(yīng)用北京：電子工業(yè)出版社， 20103 程鵬自動(dòng)控制原理北京：高等教育出版社， 20104 郁有文傳感器原理及工程應(yīng)用西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 20085 童詩白，華成英模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)北京：高等教育出版社，20066 Paul Horowitz ，Winfield Hill The Art of