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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 摘 要：本简易旋转倒立摆及控制装置采用STC12C5A60S2单片机作为主控系统，L298N作为电机驱动模块，STC12C5A60S2单片机通过L298N驱动模块驱德国冯哈勃Faulhaber减速电机2342L012，使旋转臂在电机驱动下可以作往复旋转运动，从而带动摆臂在平面做自由旋转。硬件部分主要包括STC12C5A60S2单片机最小系统，L298N电机驱动电路，电源模块等。本设计主要运用STC12C5A60S2单片机控制减速电机，由单片机产生脉冲信号精确控制减速电机的转速和角度，使摆杆能按要
2、求自由旋转和倒立。关键词：单片机 驱动芯片 传感器 减速电机 目 录1系统方案11.1 处理器模块的论证与选择11.2 电机模块的论证与选择11.3 传感器模块的论证与选择2 1.4 电源模块的论证与选择.22系统理论分析与计算32.1 倒立摆的数学模型分析及计算32.1.1 理论分析32.1.2 实际系统模型42.2 PID算法分析53电路与程序设计83.1电路的设计83.1.1系统总体框图83.1.2 主控系统电路原理图83.1.3 电机驱动模块电路原理图9 3.1.4 传感器模块电路原理图.103.1.5电源模块电路原理图103.2程序的设计103.2.1程序功能描述与设计思路103.2
3、.2程序流程图114测试方案与测试结果124.1测试方案124.2 测试条件与仪器124.3 测试结果及分析124.3.1测试结果(数据)124.3.2测试分析与结论125设计总结.13附录1：电路原理图14附录2：源程序15简易旋转倒立摆及控制装置（C题）【本科组】1系统方案本系统主要由处理器模块、电机模块、驱动模块、传感器模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1 处理器模块的论证与选择方案一：选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。但
4、CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，我们不采用该种方案。方案二：采用STC12C5A60S2单片机作为控制器，此类单片机通用灵活、价格低廉、使用方便这种方案设计占用单片机的端口最少，硬件也少,耗电也最小。并且软件实现也比较容易，它极大能力的节省了I/O的使用，为系统功能扩展提供了必要的条件。综合考虑了传感器、电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用一片单片机，充分利用STC12C5A60S2单片机的资源
5、，选择方案二。1.2 电机模块的论证与选择方案一：采用步进电机控制旋转臂旋转。步进电机作为一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。但是不经细分的步进电机控制精度不高，速度响应也较慢。方案二：采用直流伺服电机控制旋转臂旋转。在伺服系统中控制机械元件运转的发动机是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可控制速度,位置精度非常准确。它将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机在控制精度、低频和矩频特性、过载能力、运行和速度响应性能等方面都优于步进电机。综合考虑采用方案二。1.3 驱动模块的论证与选择方案一：三极管价格便宜，驱动电路
6、设计复杂，不稳定，出问题难于查询。方案二：ULN2803芯片价格便宜，电路设计简单，驱动电流小，不能驱动大功率的直流电机；方案三：L298N芯片价格便宜，电路设计简单，驱动电流大，足以驱动大功率的电机，足于满足本设计的要求。综合以上三种方案，采用方案三。1.4 传感器模块的论证与选择方案一：MMA745模块是三轴加速度传感器，是一款数字输出、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度计，具有信号调理、低通滤波器、温度补偿、自测、可配置通过中断引脚检测0g、以及脉冲检测（用于快速运动检测）等功能，但相对来说引脚较为复杂，不适合用于摆杆。方案二：ADXL345模块是一款完整的3轴加速度测量系统，既能测量运动
7、或冲击导致的动态加速度，也能测量静止加速度，例如重力加速度，使得器件可作为倾斜传感器使用。该传感器为多晶硅表面微加工结构，置于晶圆顶部。由于应用加速度，多晶硅弹簧悬挂于晶圆表面的结构之上，提供力量阻力。差分电容由独立固定板和活动质量连接板组成，能对结构偏转进行测量。加速度使惯性质量偏转、差分电容失衡，从而传感器输出的幅度与加速度成正比。相敏解调用于确定加速度的幅度和极性。接线简单，适合摆杆的使用。综合考虑采用方案二。2.系统理论分析与计算2.1 倒立摆的数学模型及计算 2.1.1 理论分析Mg1图2-1 倒立摆系统的简化模型分析摆杆水平所受的合力，可以得到以下方程： （2.1）由摆杆水平方向的
8、受力进行分析可以得到下面等式： 即 ： （2.2）把这个等式代入上式中，就得到系统的第一个运动方程： （2.3）为了推出系统的第二个运动方程，我们对摆杆垂直方向上的合力进行分析，可以得到下面方程： 即： (2.4)力矩平衡方程如下： (2.5)方程中力矩的方向，由于，故等式前面有负号。合并这两个方程，约去P和N，得到第二个运动方程： (2.6)设（是摆杆与垂直向上方向之间的夹角），假设与1（单位是弧度）相比很小，即1，则可以进行近似处理： 用u 代表被控对象的输入力F ，线性化后两个运动方程如下： (2.7)对方程组(2.7)进行拉普拉斯变换，得到 (2.8)注意：推导传递函数时假设初始条件为
9、0。由于输出为角度，求解方程组(2.8)的第一个方程，可以得到： (2.9)把上式代入方程组(2.8)的第二个方程，得到： (2.10)整理后得到传递函数： (2.11) 其中： 2.1.2 实际系统模型把实际参数代入，可以得到系统的实际模型。 摆杆角度和旋转臂位移的传递函数： (2.12)摆杆角度和旋转臂加速度之间的传递函数为： (2.13)摆杆角度和旋转臂所受外界作用力的传递函数： (2.14)以外界作用力作为输入的系统状态方程： (2.15)以旋转臂加速度作为输入的系统状态方程： （2.16）2.2 PID算法分析PID控制就是对偏差信号进行比例、积分、微分运算后，形成的一种控制规律。在
10、模拟控制系统中,控制器最常用的控制规律是PID控制。模拟PID控制系统原理框图如图2-2所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。图2-2模拟PID控制系统原理框图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值rin(t)与实际输出值yout(t)构成控制偏差 error(t)=rin(t)-yout(t) PID的控制规律为： (2.17)也可以写成传递函数的形式 (2.18)其中，比例系数，积分时间常数；微分时间常数。简单的说来，PID控制器各校正环节的作用如下：比例环节：成比例的反映控制系统的偏差信号error(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。积分环节：主要用于消除
11、静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之越强。微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变的太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。2.2.2 数字PID控制计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，连续PID控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法。按模拟PID控制算法，以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以矩形法数值积分近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，即： (2.19) 可以得到离散PID表达式： (2.20) 式中，T为采样周期，k为采样序号，
12、k=1，2，error(k-1)和error(k)分别为第(k-1)和第k时刻所得的偏差信号。位置式PID控制系统如下图2-3所示：图2-3 位置式PID控制系统上述PID控制算法的缺点是：由于采用全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对error(k)量进行累加，计算机输出控制量u(k)对应的是执行机构的实际位置偏差，如果位置传感器出现故障，u(k)可能会出现大幅度的变化。u(k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况是在实际生产中不允许的，在某些场合还可能造成重大事故。为避免这种情况的发生，可以采用增量式PID控制算法。当执行机构需要的是控制量的增量（例如驱动步进
13、电机）时，应采用增量式PID控制。根据递推原理可以得到： (2.21)增量式PID控制算法：由于控制算法中不需要累加，控制增量u(k)仅与最近k次的采样有关，所以误动作时影响小，而且较为容易的通过加权处理获的比较好的控制效果。在计算机控制系统中，PID控制是通过计算机程序来实现的，因此它的灵活性很大。一些原来在模拟PID控制器中无法实现的问题，在引入计算机以后，就可以得到解决，于是产生了一系列的改进算法，形成非标准的控制算法，以改善系统的品质，满足不同的控制系统的需要。3电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图为了使系统能够实现各种复杂的控制功能，本设计采用一种功能强大的、高速低功
14、耗性价比高的单片机STC12C5A60S2完成对其他部分控制。本设计采用角度传感器对摆杆的倾斜角度的采集数据，通过STC12C5A60S2单片机内部自带的A/D转换将数据送给单片机，单片机通过数据分析控制L298N驱动电路，使伺服电机旋转控制摆杆的状态。总体框图如图3-1所示。电 源单片机驱动模块伺服电机传感器AD模块图3-1 系统总体框图3.1.2 主控系统电路原理图单片机最小系统由复位电路、时钟振荡电路，此单片机最小系统图如图3-2所示：图3-2 主控系统电路原理图本主控电路采用STC12C5A60S2单片机，STC12C5A60S2是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速
15、/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。3.1.3 电机驱动模块电路原理图驱动模块采用专用芯片L298N 作为电机驱动芯片，L298N 是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，其响应频率高原理如下图3-3。图3-3 电机驱动模块电路原理图3.1.4传感器模块电路原理图ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高(13位)，测量范围达 16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI(3线或4线)或I2C数字接
16、口访问。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能够测量不到1.0的倾斜角度变化，原理图如图3-4。图3-4 传感器模块原理图3.1.5电源模块电路原理图供电电源采用集成稳压器7805，电路图中，稳压器7805输入端的电容为输入端滤波电容，输出端的电容为输出端滤波电容，具体供电电源原理图如图3-5所示。图3-5 电源模块电路原理图3.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路根据题目要求软件部分主要控制电机，驱动电机带动旋转臂作往复旋转使摆杆摆动，控制摆杆的摆动角度、做圆周运动、倒立等功能实现。通过自锁开关可切换功能，
17、使题目要求基础部分和发挥部分功能能通过一个主控处理器实现。3.2.2程序设计主程序流程图如图3-6初始化读倾角传感器电压A/D转换单片机处理读到的A/D数据控制驱动电机转动摆杆是否符合要求否结束是图3-6 主程序流程图4测试方案与测试结果4.1测试方案1）我们用秒表计算摆杆摆动周期。2）用量角器量出摆杆的起始摆动角度，并记录实验数据。3）用秒表测试倒立的时间。4.2 测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。4.3 测试结果及分析4.3.1测试结
18、果(数据)4.3.2测试分析与结论根据上述测试，由此可以得出以下结论：经过本次试验结果，我们发现影响系统性能的因素除电路设计外，主要还有还有以下几点：1）角度传感器的安装位置，对其检测效果的影响很大。2）控制算法，PID 参数直接决定系统是否稳定，影响系统的控制精度。综上所述，本设计还有待改进。5.设计总结经过几天的辛勤努力，本设计实现了题目的部分要求。在硬件上我们应用到传感器的调制技术，用PWM 技术的使用则解决了电动机驱动的效率问题；在软件上，我们灵活使用单片机STC12C5A60S2，使它完成了伺服电机的驱动和传感器的使用，完成了题目的部分要求。但由于时间紧，任务重，对PID算法不是很深入的了解，所以导致系统不稳定，没办法实现部分功能。本次竞赛极大的锻炼了我们各方面的能力，虽然我们遇到了很多困难和障碍，但总体上成功与挫折交替，困难与希望并存，我们将继续努力争取更大的进步。参考文献【1】白志刚.自动调节系统解析与PID整定 . 北京：化学工业出版社2013.3附录1：电路原理图
