2013年国大学生电子设计竞赛文档(倒立摆).doc

摘 要 本文介绍了以AVR mega328P单片机为控制核心，通过编码器得到系统变量，应用PID控制算法，步进电机调速对环形倒立摆进行控制，实现了倒立摆在一定的角度范围内动态倒立以及圆周运动。同时可以通过键盘设定运行模式并且读出系统当前状态，具有较好人机界面。经测试，本系统完成了题目所要求的各项基本指标，并达到了全部的发挥部分要求。 关键词：AVR mega328P 环形倒立摆 PID Abstract This paper introduces the AVR mega328P microcontroller core, obtained by the encoder system variables, the application of PID control algorithm, the stepper motor speed on the annular inverted pendulum control, to achieve the inverted pendulum in a certain range of angles and circular motion dynamic inverted . You can also set the operating mode via the keyboard and read the current state of the system and has good man-machine interface. After testing, the system completed all the required questions basic indicators, and reached all play a part requirements. Keywords: AVR mega328P annular inverted pendulum PID 目 录 第一章 系统方案论证与选择 1 1.1系统结构 1 1.2方案比较与选择 1 1.2.1芯片控制模块 1 1.2.2电机选择 2 1.2.3电动机驱动调速模块 2 1.2.4编码器选择 3 1.2.5显示方案选择 3 第二章 理论分析与计算 4 2.1 电动机选型 4 2.2摆杆状态检测 5 2.3驱动与控制算法 7 2.3.1驱动 7 2.3.2控制算法 8 第三章 机械与电路及程序设计 9 3.1机械设计 9 3.1.1 旋转臂杆与摆杆 9 3.2电路设计 9 3.2.1电源电路设计 9 3.2.2电机驱动电路设计 10 3.2.3键盘显示电路设计 10 3.3程序结构设计 12 第四章 测试结果与分析 15 第五章 参考文献 17 附录 A 主要元器件明细表 18 附录 B 电路原理图 19 附录 C 电路PCB图及实物图 20 附录 D 系统设计程序代码 23 第一章 系统方案论证与选择 1.1系统结构 整个系统分为系统模块、编码器模块、电机驱动模块、电机模块、电源模块、键盘模块、显示模块。各模块的系统框图如图1.1所示。 1.2方案比较与选择 1.2.1芯片控制模块 方案一：采用传统的51系列单片机。 传统的51单片机为8位机，价格便宜，控制简单，但是运算速度慢，片内资源少，存储容量小，难以存储大体积的程序和实现快速精准的反应控制。并且受时钟限制，计时精度不高，外围电路也增加了系统的不可靠性。 方案二: 采用AVR mega328P单片机 AVR mega328P单片机，具有功能强大、效率高的指令系统，以及高性能模拟技术及丰富的外围模块。方便高效的开发环境使操作更加简便，低功耗是其它类单片机难以比拟的，集成度较高，编程相对简单。 综上，选择了性能跟好的AVR mega328P单片机。 1.2.2电机选择 方案一：普通直流伺服电机 普通直流伺服电机有价格低使用简单等优点，但其扭矩较小，可控性差，此系统要求控制精度高速度快，直流电机则不能满足要求。 方案二：减速电机 减速电机克服了普通直流电机扭矩小的缺点，而且价格较低，但其可控性不太好，难以精确控制，不易倒立。 方案三：步进电机 步进电机具有转角精确可控的优点，速度和转角都能控制，适用于精确控制系统。只是价格稍高。 为保证稳定可靠，选用方案三。 1.2.3电动机驱动调速模块 方案一 采用芯片L298驱动电机， 用单片机控制L298的输入使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。 电子开关的速度很快， 稳定性也极强。 但驱动电流小，无法驱动更大功率的电机，限制了其应用范围。 方案二：采用自搭接的H桥电路 选用大功率达林顿管或场效应管自制H桥电路，电路原理简单，具有高效，低功率等特点，但是性能不够稳定，电路调试复杂。