简易旋转倒立摆及控制装置详解.doc

简易旋转倒立摆及控制装置设计报告及总结 摘要 倒立摆系统机理的研究不仅具有重要的理论价值，而且具有重要的现实意义，是控制类中经久不衰的经典题型。本题中，简易旋转倒立摆，在C8051F040单片机的基础上，使用ZGB42FM直流减速电机，BTN7971B电机驱动，可变电阻（角度传感器），机械摆杆等模块。通过编写、烧入程序，调控硬件协调工作，使摆杆首先实现一定角度的转动，再完成圆周运动，以及保持竖直向上的倒立状态。用以满足题目的基本要求,进而深一步探究倒立摆在保持运动姿态方面的发展与应用。 关键字：单片机，倒立摆，摆杆，可变电阻。 引言：本题整体上只由一个电机A提供动力，电机直接控制旋转臂C做往复旋转运动，而通过转轴D连接在旋臂C上的摆杆E是非常灵活的。旋臂C转动一定角度时，摆杆E由于向心力会使摆杆E继续向上旋转，以达到E杆转动一个角度的效果。相似，当C的转动速度比较快，停下后，E下端处的速度和向心力都比较大，能够使E杆完成圆周运动。 为了使摆杆能够倒立，就要求摆杆转动到上半圆周面时，要通过单片机控制电机A不断的调整使旋转臂C转动多个角度，尽量的使摆杆E与竖直面的角度变小，并能够受力平衡，这样就可以保持一段时间的倒立状态。为达到角度的调整，就要测量出E杆与竖直面间的角度差，经过单片机的控制，使电机A做出相应的旋转动作，减小这个角度差。 1、方案设计与讨论： 1.1结构框图 1.2方案论证： 1.21控制器模块 本题，单片机只要接收来自传感器的信号，向电机驱动输入信号处理后计算出的高低电平即可。 方案一：用ATMEL公司生产的AT89S52单片机，低功耗，高性能CMOS 8位处理器，使用广泛,算法较为简单，但是在执行复杂动作时，处理速度不够高。 方案二:用宏晶公司生产的STC89C52RC单片机，STC的单片机性能与ATMEL的单片机相似，但是价格相对便宜。缺点是易受潮湿影响，在调用子程序是频繁出错。 方案三:使用C8051F单片机该芯片与标准的8051芯片兼容，拥有高速指令处理能力，增加了中断源，复位源，内部有两个12位的ADC子系统，有JTAG调试和边界扫描，片内集成的SPI接口，方便系统外设扩展。 经过讨论后选择更适合本题要求的方案三，使用C8051F单片机。 1.22电机模块 电机是本题的唯一动力装置，要求能够带动旋转臂C往复旋转一定角度，再使摆杆E发生摆动。 方案一、使用28BYJ-48 5V驱动的步进电机，步进电机可以满足角度旋转的要求，转速较慢，易于控制，但是扭力较小。 方案二、采用ZGB42FM直流减速电机，具有比一般直流电机更大的扭力和力矩，控制也相对简单。 方案三、采用无刷电机，三厢的无刷电机可以做到较为精确的转角。但是不易控制，输出小，易磨损，成本也相对较高。 在本题中，我们使用长厚木板作为旋转臂C，对电机的输出要求较大。经比较采用了方案二，能够提供较大转速和扭力的直流减速电机——ZGB42FM直流减速电机。 1.23电机驱动模块 方案一、使用人工焊接的H桥，可以使电机正常工作，但是自主焊接电路板可能会出现硬件问题。 方案二、用BTN7971B驱动模块，相当于一个半桥，也可以满足电机的驱动要求，安装空间也比较小。 在使用焊接的H桥时，MOS管升温很快，硬件部分存在隐患，所一最终我们选用了与H桥功能相同的方案二BTN电机驱动模块。 1.24传感器模块 本题中只需使用到角度传感器 方案一、使用MPU-6050模块，作为角度传感器，其集合程度高，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间，工作效果好。但程序复杂，成本较高。 方案二、使用可变电阻，耐磨损，寿命长，线性精度高。可变电阻同时具有与角度传感器相同的功能，成本也相对较低。 所以经过比较，选择方案二，一个可变电阻即可。 1.3设计实现： 硬件的设计与制作 除了以上论证后选用的模块，对于机械方面的部分的设计， 将电机套在一块用树脂胶做成的模具上，装上用以固定，用一根厚长条形的木板做旋转臂C，摆杆E也以轴接的方式连接在旋转臂边缘的WDD35D4的转轴上，不影响E的灵活性。摆杆E同样是金属质地，为的是保证E的质量，使其能够有较大的惯性和向心力。 在方案的实施过程中，首先使用普通的直流电机进行测试，与作为旋转臂的厚长木条连接后电机转动很慢，未提供较大的扭力和，最终选用了ZGB42FM直流