《电子设计大赛报告.doc

2013年全国大学生电子设计竞赛 【本科组】 20年9月日 摘 要 本系统以单片机为控制核心，采用角度传感器（ADXL345）实时采集自由摆旋转角度及方向，通过直流电机开环控制旋转角度，以实现控制要求。此外，为方便实验和调试，专门有1602液晶显示旋转角度模块和按键模块。本设计以PWM调速来控制角度的调整，这种外部事件驱动的程序设计方法能够及时响应摆杆角度的变化，总体程序设计简洁，响应时间快，控制精度高。由于直流电机速度大，且不易控制，因此我们根据单摆在运动过程中的状态，实时调节单摆的速度，使其在运动过程中，更加平稳。 关键字： 角度传感器（ADXL345） 单摆平稳运动 直流电机 Abstract This design by STC15F2K60S2 microcontroller as the control core, system variable is obtained by Angle sensor, the application of PID control algorithm, PWM motor speed to control level inverted pendulum, realize stand in certain Angle range of dynamic balance. At the same time can be set by keyboard operation mode and the related point of value, has a good man-machine interface. System design has simple structure, low production cost, high control precision, has the high cost performance. Key words: single chip microcomputer; Level 1 inverted pendulum; The PID 目 录 一、系统方案分析 3 1.1 主控制器件的选择 4 1.2 角度测量获取模块的选择 5 二、系统理论分析与计算 5 2.1 电机驱动模块的选择 5 2.2倒立摆的控制分析 5 2.2.1 简易旋转倒立摆及控制装置 6 2.2.2 倒立摆旋转角度分析 7 2.3角度测量分析以及功能介绍 7 三、电路与程序设计 9 3.1电路的设计 9 系统总体框图如图6所示。 9 电路原理图详见附录1。 9 3.2程序设计 10 3.2.1程序功能描述 10 3.2.2具体的程序分析设计 10 3.2.3源程序 11 部分源程序见附录2。 11 四、测试方案与测试结果 11 五、总结 11 附录1：电路原理图 13 附录2：部分源程序 15 简易旋转倒立摆及控制装置（题）一、系统方案 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的一端，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。模块模块 1.1 主控制器件的选择 方案一：方案二：方案三：综合以上三种方案，择方案。1.2 角度测量获取模块的选择 方案一：方案二： 方案三：光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。 综合以上三种方案，择方案。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或4线)或I2C数字接口访问。ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾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。 系统理论分析与计算 的选择 2.2.1 简易旋转倒立摆及控制装置 （1）在最低位置时单摆将达到最大速度，因此在不计空气阻力及固定点摩擦力的情况下利用能量守恒定律有：，得出 在θ不超过60°，l=1.0m的情况下。计算得v=2.236m/s，由角速度与线速度之间的关系，得出= =2.236rad/s=128/s （2）自由摆周期计算 根据