1、-. z.2013年全國大學生電子設計競賽簡易旋轉倒立擺及控制裝置C題【本科組】摘要：通過對該測控系統構造和特點的分析，結合現代控制技術設計理念實現了以微控制器MC9S12*S128系列單片機為核心的旋轉倒立擺控制系統。通過采集的角度值與平衡位置進展比擬，使用PD算法，從而到達控制電機的目的。其工作過程為：角位移傳感器WDS35D通過對擺桿擺動過程中的信號采集然后經過A/D采樣后反響給主控制器。控制器根據角度傳感器反響信號進展PID數據處理，從而對電機的轉動做出調整，進展可靠的閉環控制，使用按鍵調節P、D的值，同時由顯示模塊顯示當前的P、D值。關鍵字：倒立擺、直流電機、MC9S12*S128單

2、片機 、角位移傳感器WDS35D、PD算法目錄TOC o 1-2 h u HYPERLINK l _Toc15339 一、設計任務與要求 PAGEREF _Toc15339 3 HYPERLINK l _Toc11732 1 設計任務 PAGEREF _Toc11732 3 HYPERLINK l _Toc11165 2 設計要求 PAGEREF _Toc11165 3 HYPERLINK l _Toc30377 二 系統方案 PAGEREF _Toc30377 4 HYPERLINK l _Toc19327 1 系統構造 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 驅動器方案比擬與選擇 PAGEREF _Toc29533 5 HYPERLINK l _Toc12944 三 理論分析與計算 PAGEREF _Toc12944 5 HYPERLINK l _Toc22280 1 電機的選型 PAGEREF _Toc22280 5 HYPERLINK l _Toc22300 2 擺桿狀態檢測 PAGEREF _Toc22300

4、5 HYPERLINK l _Toc4952 3 驅動與控制算法 PAGEREF _Toc4952 5 HYPERLINK l _Toc23141 四 電路與程序設計 PAGEREF _Toc23141 6 HYPERLINK l _Toc15982 1 電路設計 PAGEREF _Toc15982 6 HYPERLINK l _Toc8567 1最小系統模塊電路 PAGEREF _Toc8567 6 HYPERLINK l _Toc23265 25110顯示模塊電路設計 PAGEREF _Toc23265 7 HYPERLINK l _Toc5952 3電機驅動模塊電路設計 PAGEREF

5、_Toc5952 8 HYPERLINK l _Toc14267 4角位移傳感器模塊電路設計 PAGEREF _Toc14267 8 HYPERLINK l _Toc26417 5電源穩壓模塊設計 PAGEREF _Toc26417 8HYPERLINK l _Toc12557 2 程序構造與設計 PAGEREF _Toc12557 9 HYPERLINK l _Toc27119 五 系統測試與誤差分析 PAGEREF _Toc27119 10 HYPERLINK l _Toc24152 5.1 測試方案 PAGEREF _Toc24152 10 HYPERLINK l _Toc15521 5

6、.2 測試使用儀器 PAGEREF _Toc15521 10 HYPERLINK l _Toc25896 5.3 測試結果與誤差分析 PAGEREF _Toc25896 10 HYPERLINK l _Toc32670 6 結論 PAGEREF _Toc32670 11 HYPERLINK l _Toc6540 參考文獻 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、設計任務與要求1 設計任務設計并制作一套簡易旋轉倒立擺及控制裝置。旋轉倒立擺的構造如圖1所示。電動機A固定在支架B上，通過轉軸F驅動旋轉臂C旋轉。擺桿E通過轉軸D固定在旋轉臂C的一端，當旋轉臂C在電動機A驅動下作往復旋轉運動時，帶動擺桿E在垂直于旋轉臂C的平面作自由旋轉。如下列圖所示2 設計要求根本要求：擺桿從處于自然下垂狀態開場，驅動電機帶動旋轉臂作往復旋轉使擺桿擺動，并盡快使擺角到達或超過60+60；從擺桿處于下垂狀態開場，盡快增大擺桿的擺動幅度，直至完成圓周運動；在擺桿處于自然下垂狀態下，外力拉起擺桿至

8、接近165位置，外力撤出同時，啟動控制旋轉臂使擺桿保持倒立狀態時間不少于5s；期間旋轉臂的轉動不大于90。 發揮局部：從擺桿處于自然下垂狀態開場，控制旋轉臂作往復旋轉運動，盡快使擺桿擺起倒立，保持倒立時間不少于10s；在擺桿保持倒立狀態下，施加干擾后擺桿能繼續保持倒立或2s回復倒立狀態；在擺桿保持倒立狀態的前提下，旋轉臂作圓周運動，并盡快使單方向轉過角度到達或超過360。二 系統方案1 系統構造系統包括MC9S12*S128單片機；直流電機和電機驅動模塊；角位移傳感器。由直流電機來控制旋轉臂轉動從而來使擺桿擺動，在擺桿的轉軸處加上角位移傳感器，使擺桿一開場能快速得擺動出來，并且能保持倒立的狀態

9、，框圖如下：MC9S12*S128單片機BTN7971驅動直流電機角位移傳感器擺桿內置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計，與同步分析器和電位計等其他傳統的角位移測量儀相比，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，但判斷比擬復雜，不實用。因此我們選擇角位移傳感器。2 驅動器方案比擬與選擇方案選擇L298：L298工作電壓為12V，電流到2A。但是它的驅動能力弱，不滿足我們的需求。方案選擇BT

10、N7971：相對于L298,這款驅動器有著跟強大得驅動能力。它與單片機5V隔離保護單片機；它的PWM1，PWM2最高支持15V，此驅動集成的模塊反響迅速，發熱量小。因此我們選擇BTN7971。三 理論分析與計算1 電機的選型一開場我們選擇步進電機：步進電機可以實現開環控制，即通過驅動器信號輸入的脈沖數量和頻率實現步進電機的角度和速度控制，無需反響信號。它可以旋轉極小的角度，從而實現倒立擺的功能。但我們實際操作起來轉速比擬慢，加上旋轉臂等后速度緩慢。后來選擇直流電機：通過直流電機來帶動旋轉臂，從而帶動擺桿。直流電機控制簡單，只要加上適宜的電壓就會轉，轉速相比步進電機更快，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。2 擺桿狀態檢測擺桿狀態的檢測主要要用角位移傳感器，然后通過芯片置AD每隔0.5ms讀取到數據，再將數據轉化成角度，通過PID算法調節電機直立效果。假設當擺桿在倒立狀態時，然后用手往右旋轉一個角度后松手采用PD算法，當偏離平衡角度越大，則PD反響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，使擺桿能保持倒立的狀態。3 驅動與控制算法擺桿的運動時一個連續變化的過程，旋轉的變化也是一個連續漸變的過程。在連續的閉環控制系統中，按偏差，比列，微分，積分進展的PID控制技術一種應用最廣泛的控制方式。他具有龐簡單，

12、易于實現，適用面廣等一系列優點。連續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，積分和微分對系統進展控制。PID算法的控制數學模型為：本程序采用PD控制，能夠加大系統的反響速度。四 電路與程序設計1 電路設計1最小系統模塊電路此次設計我們采用MC9S12*S128單片機，它是一款增強型16位單片機，該單片機采用CPU12* V2核，可運行在40MHz總線頻率上。存儲器：128KB FLASH；2KB EEPROM;8KB RAM 。 A/D:16通道模數轉換器；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。25110顯示模塊

13、電路設計5110顯示屏是一款經典的機型，它的性價比高，可以顯示15個漢字，30個字符。價格廉價。接口就四根I/O即可驅動，速度快。用它來顯示PID的P和D的數值。其按鍵1為選擇參數，按鍵2為增加參數值，按鍵3為減少參數值，按鍵4為啟動鍵，如下列圖所示。3電機驅動模塊電路設計此次倒立擺的旋轉臂由直流電機控制旋轉，通過BTN7971驅動器來驅動。BTN7971部包含2通道邏輯驅動電路，可以方便的驅動直流電機。BTN7971的供電電壓典型值為7.2V，電流為1A。BTN7971驅動模塊連線為：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連接；OUT1/2連接直流電

14、機。4角位移傳感器模塊電路設計該WDS35D傳感器采用特殊形狀的轉子和繞線線圈，模擬線性可變差動傳感器的線性位移，有較高的可靠性和性能，轉子軸的旋轉運動產生線性輸出信號，圍繞出廠預置的零位移動60度。此輸出信號的相位指示離開零位的位移方向。轉子的非接觸式電子耦合使傳感器具有無限的分辨率，即絕對測量度可到達零點幾度。 用高精度角位移傳感器WDS35D來采集擺桿的運動信號，本系統采用一個角度傳感器裝在轉軸上。這樣可以控制電機準確的轉動。只需給傳感器一個5V的電壓，當使擺桿擺動時，轉軸會轉動，傳感器也會隨著轉軸轉動并且輸出一系列連續變化的模擬值。可以將該模擬值直接送給單片機部的AD進展采樣再用數學擬

15、合算法曲線處理之后控制電機轉動。傳感器A/D轉換控制器角度信號電壓信號數字信號采集電壓：；。由這兩個公式推算出5電源穩壓模塊設計如下列圖為電源穩壓模塊，可以產生穩定的5V的電壓來供電。2 程序構造與設計顯示P,D值開場超頻，初始化端口5110初始化，清屏For；按鍵掃描參數修改五 系統測試與誤差分析5.1 測試方案硬件檢測：采用數字萬用表對電路板連接情況測試。根底局部檢測：根底局部的三個要求。發揮局部檢測：發揮局部的三個要求。5.2 測試使用儀器量角器，數字萬用表VC890D，示波器DS2101，秒表。5.3 測試結果與誤差分析擺桿處于自然下垂狀態，觀察擺角到達60和時間。次數1234時間2s

16、1.9s1.89s1.94s擺桿處于自然下垂狀態，觀察擺桿完成圓周運動時間次數1234時間3.5s3.2s3.5s3.5s擺桿處入自然下垂狀態，外力拉起擺桿接近165，擺桿保持倒立不少于5s，觀察旋轉臂的轉動角度。次數1234角度0.50.6失敗0.5失敗原因：電機馬力缺乏，pd值未調好。擺桿處入自然下垂狀態，然后盡快讓擺桿倒立并保持10s以上，觀察所需時間。次數1234時間失敗失敗失敗失敗失敗原因：電機馬力缺乏，擺桿頭重腳輕而且調試時間缺乏，導致PD值未調好結論本系統以單片機為核心局部，根據角度傳感器采集來的信息，經計算得出數據來控制直流電機轉動，從而到達系統的根本要求。在系統設計中，力求硬

17、件線路簡單，充分發揮軟件編程靈活的特點，來滿足系統設計的要求。因為時間有限，該系統還有許多值得修改的地方；比方對此系統來講，PID算法并不是最優算法；硬件電路的設計還需優化，以減小系統的阻力等等。因此，系統還有待改良。在這段時間的試驗過程中，我們遇到過許多的問題，需要我們自己去考慮，去動手，去解決。平時我們多是時間只是在學習理論知識，在準備比賽和進展比賽這段時間，我們將平時課本上學習的知識真正的運用到實踐中，經過此次競賽我們認識到了團隊合作的重要性，充分領會了大賽的精神，全隊每個成員均得到珍貴的創作經歷。參考文獻1大學生電子設計競賽組委會.第五屆全國電子設計競賽獲獎作品編選.：理工大學，200

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

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

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

21、ur own code here */ DisableInterrupts; IRQCR=0*00; /關閉PE0 1中斷 ECLKCTL=0*C0; /關閉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