電子設(shè)計倒立擺論文附程序

1、 2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽 簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置（C題） 【本科組】2013年9月7日II摘 要 本題要求設(shè)計一個倒立擺控制系統(tǒng)，其中光電編碼器、直流減速電機和單片機AT89C51系統(tǒng)是核心部件。利用光電編碼器進行數(shù)據(jù)采集；在控制倒立擺轉(zhuǎn)動角度、速度方面，經(jīng)過充分比較、論證，最終選用了直流減速電機JGA25-371，易于控制倒立擺轉(zhuǎn)動角度；將光電編碼器采集的信號傳給單片機并液晶屏顯示倒立擺偏轉(zhuǎn)角度；采用單片機內(nèi)部時鐘實現(xiàn)精確計時。最后的實驗表明，系統(tǒng)完全達到了設(shè)計要求，可以很好的實現(xiàn)倒立擺平衡。關(guān)鍵詞：倒立擺、光電編碼器、單片機、直流減速電機、液晶屏。目 錄一、系統(tǒng)方案31.1方案

2、論證41.1.1控制器模塊41.1.2角度檢測模塊51.1.3電機模塊51.1.4驅(qū)動電機模塊61.1.5顯示模塊61.2系統(tǒng)設(shè)計71.3結(jié)構(gòu)框圖7二、 理論分析與計算72.1 系統(tǒng)算法控制72.2 系統(tǒng)的PWM直流電機控制9三、電路與程序設(shè)計113.1檢測電路設(shè)計113.2 L298N電機驅(qū)動模塊113.4軟件設(shè)計與工作流程123.4.1軟件設(shè)計12 3.4.2工作流程12四、測試方案與測試結(jié)果134.1測試儀表134.2倒立擺角度測試134.3旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動固定角度需給脈沖數(shù)目的確定134.4測試功能實現(xiàn)13五、結(jié)語14一、系統(tǒng)方案 本題要求設(shè)計并制作一套簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及其控制系統(tǒng)，能實現(xiàn)在旋

3、轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動過程中擺桿自由旋轉(zhuǎn)，以及做圓周運動并且在撤出外力作用下可以倒立保持平衡。發(fā)揮部分要求實現(xiàn)擺桿自主旋轉(zhuǎn)至倒立狀態(tài)時保持平衡，并且在外力干擾下可以恢復(fù)平衡狀態(tài)。本系統(tǒng)利用光電編碼器檢測倒立擺動角度并用液晶屏顯示，利用單片機接收信號并控制直流減速電機來控制旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動。主要由角度檢測模塊、電機模塊、驅(qū)動電機模塊，顯示模塊，電源模塊，控制器模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。1.1方案論證1.1.1控制器模塊 方案一：采用宏晶公司的IAP15F2K61S2。51單片機價格便宜，應(yīng)用廣泛，其功能足以實現(xiàn)本設(shè)計要求。功能特色：1.最新STC15系列IAP15F2K61S2芯片。ISP/IAP，在

4、系統(tǒng)可編程/在應(yīng)用可編程，無需編程器，無需仿真器?？僧敺抡嫫魇褂谩?.增強型8051CPU，1T，單時鐘/機器周期，速度比普通8051快8-12倍3.61K字節(jié)片內(nèi)片內(nèi)Flash 程序存儲器，擦寫次數(shù)10萬次以上4.片內(nèi)大容量2048字節(jié)的SRAM。5.大容量片內(nèi)EEPROM，擦寫次數(shù)10萬次數(shù)以上。6.共8通道10位高速ADC，速度可達30萬次/秒，3路PWM還可當3路D/A使用7.共3通道捕獲/比較單元（CCP/PWM/PCA）。8.內(nèi)部高可靠復(fù)位，8級可選復(fù)位門檻電壓，徹底省掉外部復(fù)位電路。9.內(nèi)部高精度R/C時鐘，內(nèi)部時鐘從5MHz35MHz可選，相當于普通8051的60MHz420M

5、H。方案二：采用凌陽公司的SPCE061A 單片機作為控制器的方案。該單片機I/O資源豐富，但是價格昂貴。綜合考慮，我們選擇價格便宜的方案一。1.1.2角度檢測模塊方案一： 采用深圳市華夏磁電子技術(shù)開發(fā)有限公司的AME-B001角度傳感器，0360度測量范圍，安裝非常不方便，而且電壓輸出信號，采集不便。方案二： 采用SCA60C傾角傳感器，90 +90測量范圍。模擬0.54.5輸出，工作溫度范圍寬，價格便宜，安裝方便，電壓輸出信號，采集不便。方案三： 采用增量型光電編碼器AJ38/6，數(shù)字信號輸出，采集方便，分辨率高，抗干擾能力強，可靠性高。由數(shù)據(jù)采集和摩擦程度方面考慮選擇方案三。1.1.3電

6、機模塊方案一：步進電機由于倒立擺在運動過程中，對電機的快速性、穩(wěn)定性要求較高，且具有良好的啟動、制動和調(diào)速特性?？紤]到步進電機雖然有良好的角度控制能力，但是快速性達不到要求，被排除掉。方案二：直流減速電機普通直流機雖然能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟動和制動，但是調(diào)速能力較差，被排除掉。直流減速電機具有良好的啟動，制動和調(diào)速特性，很可能在寬范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑無極調(diào)速，故選用直流減速電動機。 圖1-1 步進電機 圖1-2 直流減速電機 1.1.4驅(qū)動電機模塊方案一：采用BY-2HB03MA步進電機驅(qū)動器，此款驅(qū)動器使用THB6128芯片，電源損耗低，開關(guān)效率高。方案二：采用L298N電機驅(qū)動器，此款驅(qū)動器使用原裝L2

7、98N芯片，具有兩個使能端，可以驅(qū)動直流減速電機，步進電機等?？紤]到本設(shè)計需用直流減速電機，故選擇方案二。1.1.5顯示模塊方案一：用LED顯示，優(yōu)點亮度高、成本低。但不能顯示漢字，顯示內(nèi)容較少。 方案二：采用1602液晶顯示。串行接口，顯示簡單?？紤]到LED顯示不能顯示漢字的局限性，故選方案二。 1.2系統(tǒng)設(shè)計 根據(jù)上述方案論證，我們確定以STC89C51作為控制核心，采用型號為JGA25-371的直流減速電機控制平板轉(zhuǎn)動，采用增量型光電編碼器AJ38/6檢測倒立擺擺動角度，將采集信號送給單片機，并利用液晶屏顯示角度，采用L298N電機驅(qū)動器驅(qū)動直流減速電機。單片機最小系統(tǒng)光電編碼器L298

8、N電機驅(qū)動器直流電機倒立擺1.3結(jié)構(gòu)框圖圖1-3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖2、 理論分析與計算2.1 系統(tǒng)算法控制PID控制算法是微機化控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，整個系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來實現(xiàn)。目前提出的控制算法有很多。根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進行的控制，稱為PID控制。實際經(jīng)驗和理論分析都表明，PID控制能夠滿足相當多工業(yè)對象的控制要求，至今仍是一種應(yīng)用最為廣泛的控制算法之一。我們系統(tǒng)選用的是數(shù)字化PID控制，下面是對PID數(shù)字量化的分析： 為將模擬PID控制規(guī)律離散化，我們把、在第n次采樣的數(shù)據(jù)分別用、表示，于是式（1.1）變?yōu)?：= （1.1）當采樣周期T很小時可以

9、用T近似代替，可用近似代替，“積分”用“求和”近似代替，即可作如下近似 （1.2） （1.3）這樣，式（1.1）便可離散化以下差分方程 （1.4）上式中是偏差為零時的初值,上式中的第一項起比例控制作用,稱為比例（P）項,即 （1.5）第二項起積分控制作用,稱為積分（I）項即 （1.6）第三項起微分控制作用,稱為微分（D）項即 （1.7）式（1.4）的輸出量為全量輸出,它對于被控對象的執(zhí)行機構(gòu)每次采樣時刻應(yīng)達到的位置。因此,式（1.4）又稱為位置型PID算式。由（1.4）可看出，位置型控制算式不夠方便，這是因為要累加偏差,不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，為此對式（1.4）進行改進。

10、根據(jù)式（1.4）不難看出u(n-1)的表達式，即 （1.8）將式（1.7）和式（1.15）相減，即得數(shù)字PID增量型控制算式為 （1.9） 從上式可得數(shù)字PID位置型控制算式為 （1.10）式中： 稱為比例增益； 稱為積分系數(shù)； 稱為微分系數(shù)1。數(shù)字PID位置型示意圖和數(shù)字PID增量型示意圖分別如圖2.1和2.2所示：圖2.1 數(shù)字PID位置型控制示意圖 圖2.2 數(shù)字PID增量型控制示意圖2.2 系統(tǒng)的PWM直流電機控制PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。 下面主要

11、介紹直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)的算法實現(xiàn)。根據(jù)PWM控制的基本原理可知，一段時間內(nèi)加在慣性負載兩端的PWM脈沖與相等時間內(nèi)沖量相等的直流電加在負載上的電壓等效，那么如果在短時間T內(nèi)脈沖寬度為,幅值為U，由圖1.6可求得此時間內(nèi)脈沖的等效直流電壓為： 圖2.3 PWM脈沖，若令，即為占空比，則上式可化為： (U為脈沖幅值) （1.11）若PWM脈沖為如圖1.7所示周期性矩形脈沖，那么與此脈沖等效的直流電壓的計算方法與上述相同，即 （為矩形脈沖占空比） （1.12）圖2.4 周期性PWM矩形脈沖由式1.12可知，要改變等效直流電壓的大小，可以通過改變脈沖幅值U和占空比來實現(xiàn)，因為在實際系統(tǒng)設(shè)計中脈沖幅

12、值一般是恒定的，所以通常通過控制占空比的大小實現(xiàn)等效直流電壓在0U之間任意調(diào)節(jié)，從而達到利用PWM控制技術(shù)實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)的目的。三、電路與程序設(shè)計3.1檢測電路設(shè)計 光電編碼器與電壓跟隨器連接，將電壓信號傳給單片機電路圖如下所示。3.2 L298N電機驅(qū)動模塊3.4軟件設(shè)計與工作流程3.4.1軟件設(shè)計 軟件要實現(xiàn)功能如下：1、讀光電編碼器角度； 2、給步進電機步進脈沖； 3、顯示擺桿角度； 4、鍵盤控制選擇工作模式；3.4.2工作流程本題考察基于PID一階倒立擺控制。故自制倒立擺支架，由電機帶動旋轉(zhuǎn)桿，旋轉(zhuǎn)桿帶動擺桿做旋轉(zhuǎn)運動。通過單片機控制電機驅(qū)動，再控制直流電機，角位通過角位移

13、傳感器編碼器測量，并返回給單片機，從而實現(xiàn)控制擺桿。14四、測試方案與測試結(jié)果4.1測試儀表5位半數(shù)字萬用表(MASTECH MY-65)，秒表，計算器,米尺。4.2倒立擺角度測試 表4.2 設(shè)定模式倒立擺測試測量次數(shù)第一次第二次第三次第四次設(shè)定角度()60-6045-45過角度的時間(s)4.54.03.63.84.3旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動固定角度需給脈沖數(shù)目的確定 要使擺桿轉(zhuǎn)動一周，根據(jù)理論可計算出所需脈沖數(shù)，但是實際試驗中，直流減速電機轉(zhuǎn)動時在與旋轉(zhuǎn)臂連接出有打滑現(xiàn)象，經(jīng)過反復(fù)試驗，數(shù)據(jù)記錄如下：表4.3 快速起擺模式運行測試表測量次數(shù)第一次第二次第三次第四次過水平面時間(s)4.6 4.95.26.1動態(tài)倒立時間(s)7.27.8 8.79.24.4測試功能實現(xiàn) 表4.4 手拉倒立模式運行的測試表測量次數(shù)第一次第二次第三次第四次第五次動態(tài)倒立時間8.4s8.0s7.4s7.78.6s 五、結(jié)語在這段時間內(nèi)的試驗過程中