2013年全国电子设计大赛(c题)报告.doc

2020 年 3 月 14 日 旋转倒立摆简易及控制装置 C 题 本科组 参赛队号 20130297 0 简易旋转倒立摆及控制装置简易旋转倒立摆及控制装置 C C 题题 摘要摘要 倒立摆的控制是控制理论研究中的一个经典问题 是理想的自动控制教学 实验设备 使用它能全方位满足自动控制教学要求 具有模块好和品种多样化 等优点 本组旋转倒立摆系统的稳定性较好 抗干扰能力较强 机械部分包括 旋转臂 摆杆 电动机 转轴 支架 控制系统设计包括系统硬件电路及软件 设计 硬件部分采用角速度传感器与主控芯片相连 通过角度的测算实时向 MCU 发送摆杆的状态 MCU 通过控制 LM298 进而控制电机的转向 进而控制 摆杆的状态 主控芯片采用 STC12C5A60S2 通过 LM298 电机驱动与减速直流电 机进行通信 并实时用 LCD1602 液晶显示参数 软件部分根据最基本的 PID 算 法 给出了程序设计流程图并用 C 语言编写了控制程序 关键词 STC12C5A60S2 角速度传感器 LM298 Abstract Chuangyi Jane round the Chinese dragon light and archaic wall great the Great Wall of the song typeface do regular script variety of body control of inverted pendulum is a classical problem in the study of control theory is an ideal automatic control teaching experiment equipment the use of it can meet the requirements of automatic control teaching in all directions has the advantages of good module and species diversity This group of rotational inverted pendulum system is of good stability strong anti jamming capability Mechanical parts including rotating arm swinging rod motor shaft and support Control system design including the system hardware circuit and software design Hardware part adopts angular velocity sensor is connected to the main control chip through the Angle of the measured real time send MCU state of swinging rod MCU by controlling LM298 and steering control motor and control the state of the swinging rod Master control chip USES STC12C5A60S2 through LM298 motor driver communicate with dc motor slowdown and real time use LCD1602 LCD display parameters Software part according to the basic PID algorithm and gives the flow chart of program design using C language to write the control program Keywords STC12C5A60S2 LM298 angular velocity transducer 1 目录目录 一 一 系统方案系统方案 3 1 总体设计方案 总体设计方案 3 2 方案的比较 方案的比较 3 2 1 电机的选择 3 2 2 传感器的选择 3 2 3 控制系统 3 二 理论分析与计算二 理论分析与计算 4 1 理论分析 理论分析 4 1 1 角度传感器 4 1 2 PWM 脉冲宽度调制 4 2 PID 算法算法 4 三 电路与程序设计三 电路与程序设计 4 1 电路 电路 5 1 1 系统总体框图 5 1 2 最小系统框图 5 1 3 电源 5 2 程序流程图 程序流程图 5 2 1 主程序流程图 5 2 2 电机驱动子程序流程图 5 2 3 角度传感器子程序流程图 5 四 测试方案与测试结果四 测试方案与测试结果 6 1 测试方案 测试方案 6 1 1 硬件测试 6 1 2 硬件软件联调 6 2 测试结果及其分析 测试结果及其分析 6 五 结论五 结论 6 附录 附录 附一 最小系统电路图 7 附二 程序清单 8 2 一 系统方案一 系统方案 1 总体设计方案 总体设计方案 本系统主要由角速度传感器模块 单片机最小系统模块 电机模块 电源 模块组成 角速度传感器与主控芯片 STC12C5A60S2 相连 通过角度的测算实时 向 MCU 发送摆杆的状态 MCU 通过控制 LM298 电机驱动来控制减速直流电 机 进而控制摆杆的状态 并实时用 LCD1602 液晶显示参数 2 方案的比较与选择 方案的比较与选择 2 1传感器的选择传感器的选择 方案一 采用三轴陀螺仪测量杆偏转角度 当选择三轴陀螺仪来检测摆杆 的偏转角度时 虽然可以通过计算摆杆的偏转角度 但是传感器必须要固定在 摆杆上 同时传感器必须与主控进行通信 给硬件和软件上大大的增加了难度 可行性较差 方案二 采用角速度传感器的测量摆杆偏转角度 当选择角速度传感器来 检测摆杆的偏转角度时 虽然在测算角度时有电气引起的误差 但由于角速度 传感器原理及其机械结构 对于软件的编写相对简单 因此可行性较强 综合所述 选择方案二 2 2 电机的选择电机的选择 方案一 选择扭矩小转速快的直流减速电机驱动旋转臂 当用扭矩小的直 流电机驱动旋转臂时 电机转速降低 此时电机的扭矩小 因此摆杆很难快速 的进行微控调整 方案二 选择扭矩大转速慢的直流减速电机驱动旋转臂 当用扭矩大转速 慢的直流电机驱动旋转臂时 因其扭矩不会因转速降低而减小 故能快速的对 摆杆进行实时的控制 综合所述 选择方案二 2 3 控制系统控制系统 方案一 选用传统的 51 单片机 当选用 51 单片机作为控制系统时 可以 通过外部 AD 芯片对传感器的模拟量进行检测 并采用 PID 算法对其摆杆的状 态进行控制 但是由于 51 单片机运算速度经 12 分频 且需使用 IO 口模拟 SPI 总线协议 这样对单片机的性能有着很高的挑战性 同时还要在其基础上对直 流电机进行实时的微控 可实行性较差 很难实现所预想的结果 方案二 选用 STC12C5A60S2 单片机 当选用 12 单片机作为控制系统时 因其片内自带 8 路 10 位 AD 转换 PWM 脉宽调制和 SPI 总线接口 而且 12 单 片机运行速度比传统的 51 单片机快 10 12 倍 综合所述 选择方案二 3 二 理论分析与参数计算二 理论分析与参数计算 1 1 理论分析 理论分析 1 1 角度传感器 角度传感器的原理有将角度变化量的测量变为电阻变化测量的变阻器式角 度传感器 将角度变化量的测量变为电容变化的测量的面积变化型电容角度传 感器 将角度变化量的测量变为感应电动势变化量的测量的磁阻式角度传感器 因其具有很高的精确性 能够对角度变化进行很好的测算 另外 角度传感器 在摆杆的微控中具有很好的反馈信息的作用 为后续的操作打好了基础 1 2 PWM 脉冲宽度调制 STC12C5A60S2 单片机内部有自带的 PWM 脉宽调制 通过调节 PWM 波 的占空比 来控制电机的转速 并通过电机驱动的使能来控制电机的转向 再 结合角速度传感器反馈的电平值 来对摆杆的状态进行实时的微控 2 PID2 PID 算法算法 PID 算法是一种闭环的自动控制器 它具有原理简单 易于实现 适用面 广 控制参数相互独立 参数的选定比较简单等优点 当运用在具有反馈系统 中具有很好的自动调节能力 用在本系统中是最合适不过了 当角速度传感器 发生 位移 时 其变化的电平被 MCU 的 AD 采集到 MCU 运用 PID 算法选 用合适的计算方式 来控制电机的转向及转速 从而对摆杆的状态进行实时的 微控 以完成题目的要求 PID 算法流程图如下 三 电路与程序设计三 电路与程序设计 1 1 电路电路 1 1 系统总体框图 4 导线连接 选择模式 1 2 最小系统框图 注 最小系统电路图见附一注 最小系统电路图见附一 1 3 电源 电源由变压部分 滤波部分 稳压部分组成 为整个系统提供 5V 或者 8V 电压 确保电路的正常稳定工作 这部分电路比较简单 故不作详述 2 2 程序流程图 程序流程图 2 1 主程序流程图 反馈电平 PID 控制 控制摆向 最小系统 上拉电阻 晶振 单片机 复位电路 最小系统角速度传感器播码开关 电源模块 摆杆 角度传感器 电机MCU 开始 5 2 2 电机驱动子程序流程图 控制 驱动 2 3 角度传感器子程序流程图 状态 AD 采集 四 系统调试和测试结果四 系统调试和测试结果 1 测试方法 1 1 硬件测试 首先检查仿真电路和硬件电路是否与系统原理图完全相同 随后检测各机 械和电气之间是否正确连接 然后用数字万用表测试 PCB 板上线路是否短路和 断路 焊盘是否虚焊 最后通电检测各器件是否损坏 各模块是否能正常工作 如果各模块都能正常工作 就可以进入软件调试阶段了 1 2 硬件软件联调 首先使用 12 单片机片内自带的 PWM 脉宽调制 通过电机驱动控制电机转 速及摆向 然后再使用其内部 AD 转换 用来接收角速度传感器在不同角度的 电平变化 随后 MCU 通过 PID 算法对摆杆的状态进行反馈调节 进而完成要 求 2 测试结果及分 A D 值 0306090120150180210 弧度 度 044 388 6132 2177 1221 5265 5210 1 电压 V 00 541 101 612 162 643 213 76 根据上述测试数据 由 A D 采集值所确定的电压值和弧度值成线性比例 由此 可以得出以下结论 1 角速度传感器角位移与弧度和电平之间具有一定的线性关系 2 通过角度的计算 摆杆的位置可以确定进而控制摆杆的状态 综上所述 本设计达到设计要求 MCULM298直流电机 摆杆MCU角度传感器 6 五 结论五 结论 本系统架构设计合理 外形美观 功能电路实现较好 系统性能较优良 能比较稳定 较好地完成题目基本要求中的 1 2 本组多次尝试完成基本 要求中的 3 可是由于基本要求 3 对程序的要求很高 比赛的时间紧 另 外参赛的三名学生都是12级的大一学生 所学的专业知识还不够多 能力有限 故到最后没有完成基本要求中的 3 本组的三名参赛选手对旋转倒立摆及控 制系统很感兴趣 相信经过以后不断的学习 不断的实践 我们很够完成基本 要求 3 附录附录 附一 最小系统电路图 7 P1 0 T2 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 MOSI 6 P1 6 MISO 7 P1 7 SCK 8 RST 9 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 P2 7 A15 28 PSEN 29 ALE PROG 30 EA VPP 31 P0 7 AD7 32 P0 6 AD6 33 P0 5 AD5 34 P0 4 AD4 35 P0 3 AD3 36 P0 2 AD2 37 P0 1 AD1 38 P0 0 AD0 39 Vcc 40 MCS51 Typical IC1 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P10 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36 P37 X1 X2 ALE PSEN RST VCC GND 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 P1 Header 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 P2 Header 20 30pF C3 30pF C4 12 12 000M Y1 GND X1 X2 2 3 4 5 6 7 8 91 RP1 VCC P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 串串串 串串 C1 1 V 2 C1 3 C2 4 C2 5 V 6 T2OUT 7 R2IN 8 R2OUT 9 T2IN 10 T1IN 11 R1OUT 12 R1IN 13 T1