2013年全国大学生电子设计竞赛C题.docx

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1、2013年全国大学生电子设计竞赛简易旋转倒立摆及控制装置（C题）【本科组】2013年9月7日摘要:倒立摆系统是非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统，系统的机械部分包括旋臂、摆杆、直流减速电机、倾角传感器，硬件部分由STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程FIaSh存储器的单片机STC89C52为控制核心，配合电源，驱动电路等部分组成。旋转臂在直流减速电机驱动下做往复旋转运动时，带动摆杆在垂直于旋转臂的平面内自由旋转,摆杆的状态由旋臂边缘的角度传感器反馈到单片机内，通过内部程序对电机进行PwM调速控制，从而实现简易旋转倒立摆的功能。关键字：STC89C52

2、单片机；直流减速电机；角度传感器；1系统设计任务与要求1.1设计任务设计并制作一套简易旋转倒立摆及其控制装置。旋转倒立摆的结构如图1所示。电动机A固定在支架B上，通过转轴F驱动旋转臂C旋转。摆杆E通过转轴D固定在旋转臂C的一段，当旋转臂C在电动机A驱动下作往复旋转运动时，带动摆杆E在垂直于旋转臂C的平面作自由旋转。图1旋转倒立摆结构示意图（1）摆杆从出于自然下垂状态（摆角0）开始，驱动电机带动旋转臂作往复旋转使摆杆摆动，并尽快使摆角达到或超过-60+60；（2）摆杆从出于自然下垂状态开始，尽快增大摆杆的摆动幅度，直至完成圆周运动；（3）摆杆从出于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近165位置，外

3、力撤除同时，启动控制旋臂摆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。（1）摆杆从出于自然下垂状态开始，控制旋转臂作往复旋转运动，尽快使摆杆倒立，保持倒立状态时间不少于10s；（2）在摆杆保持倒立状态下，施加干扰后摆杆能继续保持倒立或2s内恢复倒立状态；（3）在摆杆保持倒立状态的前提下，旋转臂作圆周运动，并尽快使单方向转过的角度达到或超过360度；（4）其他。2系统方案的论证与选择根据题目要求，系统划分为电源部分、角度采集部分、控制部分。其中角度采集部分由角度传感器完成，控制包括单片机小系统以及驱动模块完成。为实现各模块的功能，分别做出以下几种不同的设计方案并进行论证。方

4、案一：双电源供电。由于电机驱动和其他芯片工作电压不一样，需要不同的电源电压。但如果采用双电源供电则使用两个不同的电池组，这样会占空间且增加系统负重，影响功能的实现。方案二：单电源供电。采用三端稳压集成芯片1M7805。将12V电压降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。1M7805具有较强的电流驱动能力以及稳定电压输出性能。综上所述，采用方案二。方案一：选用PIC、或AVR等作为控制核心，这些单片机资源丰富，可以实现复杂的逻辑功能，功能强大，完全可以实现对倒立摆的控制。但对于本题目而言，其优势资源无法得以体现，且成本稍高。方案二：采用STC公司的STC89C52作为系统控制器的方案。单片机软件

5、编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。综上所述，采用方案二。方案一：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便，电机内部装有减速齿轮组，所以并不需要考虑调速功能，很方便的就可以实现通过单片机对直流减速电机前进、后退、停止等操作。方案二：采用步进电机，由于其转动的角度可以精确定位，可以实现旋转臂前进距离和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，但步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高的转速时会急剧下降，其转速较低时不适于对速度有一定要求的倒立摆系统。经综

6、合比较分析我们决定放弃此方案。综上所述，选择方案一。方案一：采用功率管组成H桥型电机驱动电路，并利用PwM波来实现对输出电压的有效值大小和极性进行控制。这种调速方式具有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，能耗小等优点，还可以实现频繁的无级快速启动和反转等优点。方案二：采用1298N驱动。1298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片1298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良，且由1298N结合单片机可实现对旋转臂的精确控制。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过

7、载能力大,能承受频繁的负载冲击,还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此决定采用1298N控制直流电机，即采用方案二。的论证与选择方案一：采用凌阳公司的MXD2023E1传感器。在正常情况下，传感器将测到的角度直接转化为占空比不同的频率输出。方案二：采用WDD35系列角位移传感器，其功能在于把角度机械位移量转换成电信号。为了达到这一效果，通常将可变电阻基体定置在传感器的固定部位，通过电刷在电阻基体上的位移来测量不同的阻值。传感器滑轨连接稳态直流电压,允许流过微安培的小电流，电刷和输出端之间的电压，与电刷在电阻基体上滑过的角度成正比。将传感器用作分压器可最大限度降低对电阻基体总阻值精

8、确性的要求，因为由温度变化引起的阻值变化不会影响到测量结果。因此决定采用WDD35系列角度传感器，即采用方案二。方案一：采用AD0809模数转换芯片。此芯片由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个转换器和一个三态输出锁存器组成，允许8路模拟量分时输入，公用转换进行转换。方案二：采用AD574A模数转换芯片。此芯片是一种高性能的12位逐次逼近式A/D转换器。AD574A由12位A/D转换器，控制逻辑，三态输出锁存缓冲器，10V基准电压源四部分构成。ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连，初始化时;使ST和OE信号全为低电平，送要转换的哪一通道的地址到A,B,C

9、端口上，判断是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断，当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。因此决定采用AD0809模数转换芯片。个方案最终决定方案经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下：(1)电源模块：1M7805稳压的单电源(2)控制模块：STC89C52单片机(3)角度检测模块：WDD35角度传感器(4)电机选择：直流减速电机(5)A/D数模转换芯片：AD0809模数转换芯片3系统硬件设计与实现图2系统硬件框图将12V的电源通过稳压芯片稳压成两路稳压电源，一路供给单片机用，一路供给驱动电路用。电源电路原理图如图3所示：图3电源电路WDD35角度传

10、感器，其功能在于把角度机械位移量转换成电信号。传感器固定在旋转臂上，其可调轴与上端摆杆固定，摆杆摆动时可调端输出电压会随之变化,将输出变化电压输入到AD芯片，即可得到一系列变化的数字信号。图6角度采集电路4系统软件设计4.1简易倒立摆的数学模型在忽略了空气阻力、各种摩擦之后，将简易倒立摆系统抽象成匀质摆杆和水平杆组成的刚体系统.简易倒立摆的结构如图所示：水平杆与工的夹角：为，摆杆与垂直方向的夹角：4表1简易倒立摆的物理参数水平杆的质量/水平杆绕端点的转动惯量J0kgn摆杆的质量叫3k*:摆杆绕质心的转动惯量J1kgnr水平杆的长度1O摆杆质心到转轴的距离系统的拉格朗日算子：1(q,q)=T(q

11、,q)-V(q,q),其中1为拉格朗日算子、q为系统的广义坐标、T为系统的总动能、V为系统的总势能.拉格朗日方程：dB1d1一()=Qi(11)dtqiqi,其中，i=12,3,/、Qj为系统沿广义坐标名方向上的外力.在环形一级倒立摆系统中广义坐标：q=，q=环形一级倒立摆系统的动能了：其中，儿为水平杆的动能、为摆杆的动能水平杆的动能：在距摆杆转动中心距离/处取一小段力,这一小段的坐标如下：则，这一小段的动能：摆杆的动能：m=CdT(1.3)叫Jo(1.4)以水平杆所在的水平面为零势能面，则系统的势能V即为摆杆的重力势能：v=%1=?MCOSa则，拉格朗日方程:d/1、1()=u(1.5)出o

12、此d11C(-)=Udt陷响其中，为施加到水平杆上的控制力矩.在倒立摆实物控制中，我们采用水平杆的角加速度作为输入即：=4系统的状态变量：x=%ao&了，在平衡位置O000对系统模型进行线性化即：coso,sieaGo系统的状态空间模型：其中，A为系统的状态矩阵、8为控制矩阵、y为系统的输出、C为系统的输出矩阵其中年也=专.PID算法设计在该设计中，算法的设计是很关键的一步，算法精确度选取的好坏，直接影响到系统运行的准确性。在比较自适应算法和PID算法后，采用PID算法。PID控制相应的控制算法式为：=KJe(t)+jje(t)d(t)+7;竿+%(1)/10at式中控制端输出;wrt偏差为零

13、时的初值;e(t)调节器输入函数，即给定量与输出量的偏差;Kp比例增益；T1一一积分时间常数;Td一一微分时间常数;将上式展开，函数可以分为比例控制，积分控制和微分控制三部分。核心控制其计算公式一般为离散分量，需要对差分方程作出近似处理后改为e(t)dt=W(j)即(k)Y(I)0J=OdtT式中T采样周期；K采样序号；e(k-1)和e(k)分别为第k-1和第k次控制周期的偏差；综合以上几个公式，可以得出差分公式为：(k)=Kpe(k)+0)e(k)-e(k-1)+wo(2)j=015测试方案与测试结果量角器(精度1),秒表，直尺按照题目要求，分布测试所有功能。测试方案：从摆杆处于自然下垂状态开始，驱动电机带动旋转臂往复旋转，摆杆随旋转臂摆动，察看每次旋转臂转动与摆动之间的关系。通过摆杆后的轻质量角器记录摆杆摆动的大概角度，填于表1中。序号摆杆角度旋转臂偏差测试方案:测试方案:测试方案:测试方案:测试方案:测试方案:6总结