全国电子设计大赛报告.docVIP

. . 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】 摘要： 通过对该测控系统结构和特点的分析，结合现代控制技术设计理念实现了以微控制器MC9S12XS128系列单片机为核心的旋转倒立摆控制系统。通过采集的角度值与平衡位置进行比较，使用PD算法，从而达到控制电机的目的。其工作过程为：角位移传感器WDS35D通过对摆杆摆动过程中的信号采集然后经过A/D采样后反馈给主控制器。控制器根据角度传感器反馈信号进行PID数据处理，从而对电机的转动做出调整，进行可靠的闭环控制，使用按键调节P、D的值，同时由显示模块显示当前的P、D值。 关键字： 倒立摆、直流电机、MC9S12XS128单片机 、角位移传感器WDS35D、PD算法 目录TOC \o 1-2 \h \u 15339 一、设计任务与要求 3 11732 1 设计任务 3 11165 2 设计要求 3 30377 二 系统方案 4 19327 1 系统结构 4 24956 2 方案比较与选择 4 32440 （1） 角度传感器方案比较与选择 4 29533 （2） 驱动器方案比较与选择 5 12944 三 理论分析与计算 5 22280 1 电机的选型 5 22300 2 摆杆状态检测 5 4952 3 驱动与控制算法 5 23141 四 电路与程序设计 6 15982 1 电路设计 6 8567 （1）最小系统模块电路 6 23265 （2）5110显示模块电路设计 7 5952 （3）电机驱动模块电路设计 8 14267 （4）角位移传感器模块电路设计 8 26417 （5）电源稳压模块设计 8 12557 2 程序结构与设计 9 27119 五 系统测试与误差分析 10 24152 5.1 测试方案 10 15521 5.2 测试使用仪器 10 25896 5.3 测试结果与误差分析 10 32670 6 结论 11 6540 参考文献 11 24448 附录1 程序清单（部分） 12 9046 附录2 主板电路图 15 25583 附录3 主要元器件清单 16 一、设计任务与要求 1 设计任务 设计并制作一套简易旋转倒立摆及控制装置。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。如下图所示 2 设计要求 基本要求：①摆杆从处于自然下垂状态开始，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从摆杆处于下垂状态开始，尽快增大摆杆的摆动幅度，直至完成圆周运动；③在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近165°位置，外力撤出同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于5s；期间旋转臂的转动不大于90°。 发挥部分：①从摆杆处于自然下垂状态开始，控制旋转臂作往复旋转运动，尽快使摆杆摆起倒立，保持倒立时间不少于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内回复倒立状态；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角度达到或超过360°。 二 系统方案 1 系统结构 系统包括MC9S12XS128单片机；直流电机和电机驱动模块；角位移传感器。由直流电机来控制旋转臂转动从而来使摆杆摆动，在摆杆的转轴处加上角位移传感器，使摆杆一开始能快速得摆动出来，并且能保持倒立的状态，框图如下： MC9S12XS128 MC9S12XS128 单片机 BTN7971 驱动 直流电机 角位移 传感器 摆杆 内置AD 2 方案比较与选择 （1） 角度传感器方案比较与选择 方案①选择角位移传感器：角位移传感器它采用非接触式专利设计，与同步分析器和电位计等其他传统的角位移测量仪相比，有效地提高了精度。 方案②选择陀螺仪：陀螺仪传感器最主要的特性是它的稳定性和进动性。它是用来感测和维持方向的装置，主要用在航空来判断方向，在此次设计中想到用陀螺仪来控制摆杆角度，但判断比较复杂，不实用。 因此我们选择角位移传感器。 （2） 驱动器方案比较与选择 方案①选择L298：L298工作电压为12V，电流到2A。但是它的驱动能力弱，不满足我们的需求。 方案②选择BTN7971：相对于L298,这款驱动器有着跟强大得驱动能力。它与单片机5V隔离保护单片机；它的PWM1，PWM2最高支持15V，此驱动集成的模块反应迅速，发热量小。 因此我们选择BTN7971。 三 理论分析与计算 1 电机