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031C001


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】





该装置主采用 STC12C5A60S2 单片机为控制核心的自动控制系统,简易旋转 倒立摆及控制装置是要由摆杆框架、主控器、电机和数据采集部分四大部分组 成。GY-291 传感器完成角度的测量后,舵机完成对摆杆的带动,并且可以通过 1602 液晶屏对度数实时显示。为了能够准确的控制摆杆转动的角度大小,达到 控制的精度,在单片机内部进行 PID 运算,实现了对摆杆的角度的精确控制。 技术方面,本装置充分利用了 PID 算法,PWM 技术实现对角度的控制。电 压输出方面,自制的直流电压源针对不同部位输出不同电压。在软件编程方 面,成功的通过软件编程消除了电机的抖动问题。并在系统供电电路上进行了 创新设计,取得了较好的效果。

关键字:STC 单片机

, GY-291 角度传感器,舵机

1





一 系统方案 ....................................................... 3 1.1 系统结构 ..................................................... 3 1.2 主控器的选择与论证 ........................................... 3 1.3 电机的选择与论证 ............................................. 4 1.4 液晶显示屏的选择与论证 ....................................... 4 1.5 轴承的选择与论证 ............................................. 4 二 理论分析与计算 ................................................. 5 2.1 电动机选型 .................................................... 5 2.1.1 电机的组成............................................. 5 2.1.2 电机的角度控制与时间之间的算法.......................... 5 2.2 摆杆状态监测 .................................................. 6 2.2.1 摆杆的角度检测.......................................... 6 2.2.2 负反馈系统.............................................. 6 2.3 驱动与控制算法 ................................................ 7 2.3.1 系统控制算法(PID 算法) ................................ 7 2.3.2PWM ..................................................... 7 三 电路与程序设计 ................................................. 8 3.1 单元电路设计 .................................................. 8 3.1.1STC12C5A60S2 单片机最小系统............................. 8 3.1.2 GY-291 倾角传感器....................................... 9 3.1.3 供电源................................................. 10 3.2 程序流程图 ................................................... 11 四 测试方案与测试结果 ............................................ 12 4.1 自测功能 ..................................................... 12 4.2 基本要求的测试结果 ........................................... 13 4.2.1 手动测试与仪器......................................... 13 4.3 发挥部分的测试结果 ........................................... 13 五 设计总结 ...................................................... 14 六参考文献 ....................................................... 14

2

设计题目
一系统方案
1.1 系统结构
简易旋转倒立摆及控制装置是由 STC12C5A60S2 单片机为核心控制器通过角 度传感器采集角度传给单片机,单片机通过 PID 算法对信息进行处理,舵机带 动摆杆转动,摆杆不断转动,然后角度传感器不断采集,形成往复运动。总体 控制图如图 1:

图 1 总控制图

1.2 主控器的选择与论证
方案一:采用 STC12C5A60S2。STC12C5A60S2 芯片价格便宜,应用范围广, 功能强大,高速运转,低功耗,强抗静电,强抗干扰,内部集成双串口、8 路 10bitADC 和两路八位 PWM; 方案二:采用 STC89C52。STC89C52 芯片价格便宜,应用范围广,但运转速 度较慢,抗静电抗干扰较弱,内部无 ADC; 方案一:采用 FPGA 作为系统主控器。FPGA 规模大,集成度高,体积小,但 价格高,编程实现难度大。 结合题目的要求,本系统选用方案一的单片机作为主控芯片。
3

1.3 电机的选择与论证
方案一:采用步进电机。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退 磁,从而导致力矩下降乃至于失真 ; 步进电机的力矩会随转速的升高而下降 ; 且步进电机低速时可以正常运转 , 但若高于一定速度就无法启动 , 并伴有啸叫 声。 方案二:采用直流电机。直流电机价格低,调速范围广,易于平滑调节, 过载、起动、制动转矩大,难于控制转轴的角度和转速; 方案三:RB-431 舵机。 舵机体积紧凑,便于安装,输出力矩大,稳定性 好,控制简单,便于和数字系统连接,而且可以 360°旋转。正因为舵机有很多 优点。所以现在不止用在航模运动中,已经扩展到很多的机电产品中。 鉴于设计要求,故采用方案三。

1.4 液晶显示屏的选择与论证
方案一:1602 液晶显示屏。具有标准的接口特性,模块结构紧凑、轻巧、 装配容易;低功耗、寿命长、可靠性高。 方案二:12864 液晶显示屏。该点阵的屏显成本相对较低,适用于各类仪 器,小型设备的显示领域。但液晶屏较大且是玻璃为基础的,跌落或与硬物撞 击会引起液晶屏破裂或粉碎。 方案三:数码管。发光二极管属于电流敏感器件,其正向压降的分散性很 大, 并且还与温度有关,即使是短时间的电流过载也可能对发光管造成永久性 的损坏。 鉴于设计要求,故采用方案一。

1.5 轴承的选择与论证
方案一:心球轴承。心球轴承径向负荷能力大,适用于有重负荷、冲击负 荷的情况。内圈内径是锥孔的轴承,可直接安装。适用于承受重载荷与冲击载 荷、一般机械等。 方案二:调心滚子轴承。它能承受任一方向的轴向载荷。有高的径向载荷 能力,主要适用于重载或振动载荷下工作,但不能承受纯轴向载荷。该类轴承 外圈滚道是球面形,故其调心性能良好,能补偿同轴度误差。
4

方案三:滚针类轴承。滚针轴承装有细而长的滚子因此径向结构紧凑,适 用于径向安装尺寸受限制的支承结构。旋转精度高,可在承受很高径向负荷的 同时承受一定的轴向负荷。 方案二的缺点是不能承受纯轴向载荷,方案三由细而长的滚子会增加杆的 载重,因此用方案一。

二理论分析与计算
2.1 电动机选型
2.1.1 电机的组成 RB-431 舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构 成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机,经由电路板上的 IC 判断转动方 向,再驱动无核心马达开始转动,透过减速齿轮将动力传至摆臂,同时由位置 检测器送回讯号,判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻,当 舵机转动时电阻值也会随之改变,藉由检测电阻值便可知转动的角度。而且舵 机本身转速快、耗能小。 2.1.2 电机的角度控制与时间之间的算法 舵机的控制一般需要一个 20ms 左右的时基脉冲,该脉冲的高电平部分一般 是 0.5-2.5ms 范围内的角度控制脉冲。 很多舵机的位置等级有 1024 个,所以 控制的角度可以达到 0.18 度。电机电路图如图 2.1.2 所示

PWM

JPD1

VCC

G

N

D

2.1.2 电机电路图
5

3

2

1

2.2 摆杆状态监测
2.2.1 摆杆的角度检测 摆杆 E 的转动角度值由 GY-291 角度传感器检测,检测的角度如果达到预定 的值,电机 A 将停止,如果角度没有达到预定的值,电机 A 将继续转动。这一 过程都依赖于负反馈系统。摆杆总体工作图如下图 2.2.1 所示:

2.2.1 摆杆总体工作图 2.2.2 负反馈系统 负反馈使输出起到与输入相反的作用,使系统输出与系统目标的误差减 小,系统趋于稳定;它主要是通过输入、输出之间的差值作用于控制系统的其 他部分,负反馈形成的系统,控制精度高,系统运行稳定。利用负反馈检测摆 杆角度的程序图如图 2.2.2 所示。

2.2.2 角度传感器负反馈图
6

2.3 驱动与控制算法
2.3.1 系统控制算法(PID 算法) PID 控制是比例、积分、微分三者的控制有机结合。利用 PID 算法来控制 电机转速。PID 控制具有以下优点:(1)PID 算法蕴含了动态控制过程中过去、 现在和将来的主要信息,控制过程快速、准确、平稳,具有良好的控制效果; (2)PID 算法在设计过程中不过分依赖系统参数,系统参数的变化对控制效果的 影响很小,控制的适应性好,具有较强的鲁棒性;(3)PID 算法简单明了,便于 用单片机实现。因此,进行离散化处理,当采样周期为 T 时,

ui ? ui ?1 ? K p (1 ?

2T T T TD ? )ei ? K p (1 ? D )ei ?1 ? K p D ei ?2 TI T T T
Kl ? K p

(2.3.1)

其中: 系数。

Kp

称为比例增益;

T T K ? Kp D TI 称为积分系数; D T 称为微分

经过多次测试,采样周期为 T=200ms,整定的值为: 时,系统控制最佳。 2.3.2 PWM 技术

K p =8

, K D ? 4 , Kl ? 1

PWM 是脉冲宽度调制的简称,它是利用微处理器的数字输出对模拟电路进 行控制的一种非常有效的技术,广泛应用于测量、通信、功率控制与变换等领 域。它也是一种模拟控制方式,这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化 时保持恒定,他也是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过分辨率计 数器的使用,对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM 有以下优点:(1)处 理器到被控系统信号都是数字形式的,无需进行数模转换。让信号保持为数字 形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑 1 改变为逻辑 0 或将 逻辑 0 改变为逻辑 1 时,也才能对数字信号产生影响。(2)同时实现变频变压 反抑制谐波的特点(3)电压利用率最高,效率最高,及转矩脉动最小以及其它 特定优化目标。

7

MHDR1X8

P

3

8

7

6

5

4

3

2

1

1

R

0 1 1 C

K

0 1

0

3

p

0

F

p

3 REST

C

C

F

0 3 2

p

3.1 单元电路设计

1

2

F

XTAL

Y

1

MHDR1X8

P

1

8

7

6

5

4

3

2

1

REST

3.1.1 STC12C5A60S2 单片机最小系统

2

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

9

8

7

6

5

4

3

2

1

125A60S2

*

G

XTAL1

XTAL2

P3.7/RD

P3.6/WR

P3.5/T1

P3.4/T0

P3.3/INT1

P3.2/INT0

P3.1/TXD

P3.0/RXD

RST/VPP

P1.7

P1.6

P1.5

P1.4

P1.3

P1.2

P1.1

P1.0

N

D

ALE/PROG

三电路与程序设计

EA/VPP

PSEN

P2.0

P2.1

P2.2

P2.3

P2.4

P2.5

P2.6

P2.7

P0.7

P0.6

P0.5

P0.4

P0.3

P0.2

P0.1

P0.0

VCC

2

2

2

2

2

2

2

2

2

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

4

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

部中断 I/O 口 7 路。单片机最小系统如图 3.1-1、3.1-2 所示。
VCC5

图 3.1-1 STC12C5A60S2 最小系统原理图
MHDR1X8 P MHDR1X8 P 4 2 8 7 6 5 4 3 2 1 8 7 6 5 4 3 2 1

部共 4 个 16 位寄存器,两个时钟输出口。STC12C5A60S2 单片机有双串口,外

机,指令代码完全兼容 8051,但速度快 8-12 倍。片上集成 1280 字节 RAM。内

STC12C5A60S2 单片机是高速,低功耗,超强抗干扰的新一代 MCS-51 单片

8

3.1-2 串口工作原理图 3.1.2 GY-291 倾角传感器 GY-291是一款完整的3轴加速度测量系统。既能测量运动或冲击导致的动态 加速度,也能测量静止加速度,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。GY-291电路图如图3.1.2所示
VCC IC2 I 1 O 5 VCC-3.3V C 2 C 3

C

C

1

2

G

N

4.7uF

D

1

0

u

F

0.1uF

4

3

e

n

b

3.3V

LDO

y

4

VCC

IN

VCC-3.3V

VCC--3.3V

0.1uF

R

R

1

3

IC4

C

S

2

3

1

A-INT1

4

6

V

VDD-IO

A-INT2

R

1

c

s

7

S

1

4.7K

4

5

C

S

SDO

SCL

1

3

6

SDA

4.7K

7

2

G

N

SCL

4

D

SDA

8

8

G

N

D

5

INT1

9

G

N

D

R

JP2

2

SDO

1

2

A

D

D

4.7K

3.1.2GY-291倾角传感器原理图
9

ADXL345B

R

INT2

A-INT2

A-INT1

SDA

SCL

4.7K

4

3.1.3 电源 本实验过程复杂,每个实验部件所需的电压不一致,所需电压有 -12v 、 5v、5v、12v。我们自制了直流稳压源。交流电 220v 先经过电源变压器转换为 整流电路所需的电压;再通过单项导电二极管,把 50Hz 的正弦交流电变换成脉 动的直流电;再经过滤波电路,将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以 滤除,从而得到比较平滑的直流电压;最后经过稳压电路,使输出的直流电压 稳定,不随交流电网电压和负载的变化而变化。 新型电源有完善的保护措施,这包括:输出过流限制、过热保护、短路保 护及电池极性接反保护,使电源工作安全可靠,不易损坏。供电源原理图如图 3.1.3 所示
D 1 * Diode

+

1

Vout

D

2

Bridge1

C

1

C

2

Vin

2

C

3

C

5

5

0

0

u

F

0.01uF

4

7

u

F

T

1

D

2

2

0

v

*

Diode

3

0.01uF

4

+

1

Vout

C

5

C

6

Vin

2

C

7

C

5

5

0

0

u

F

0.01uF

4

7

u

F

D

Trans3

Bridge1

4

C

9

C10

C11

5

5

0

0

u

F

0.01uF

4

7

u

f

*

0.01uF

C12

0.01uF

8

+

5

5

1

Vout

D

3.1.3 供电源工作原理图

Diode

5

Vin

2

5

10

3.2 程序流程图

3.2-1 主程序图

11

3.2-2 1602 工作流程图

四测试方案与测试结果
4.1 自测功能
ADXL345是GY-291传感器内自带的系统。它具备自测功能,可同时有效测试 机械系统和电子系统,有静电力施加于机械传感器之上。与加速度同样的方 式,静电力驱使力敏传感元件移动,且有助于器件体验加速度。增加的静电力 导致x、y和z轴上的输出变化。因为静电力与VS2成正比,所以输出随着VS而变 化。该效应如图4.1所示。

12

4.1ADXL345 自测输出变化阻值与电压间的关系

4.2 基本要求的测试结果
4.2.1 手动测试与仪器 第一:由三人量的旋转倒立摆机械部分硬质摆杆和转轴之间的长度并填入下 列表格。 次数 长度 (cm) 1 22.5 2 22.6 3 22.4 平均 22.5

第二:摆杆从自然下垂(摆角 0°)开始,驱动电机带动旋转臂做往复旋 转使摆杆摆动,看能否到达-60°到+60°,并填入下列表格: 次数 能否 1 不能 2 能 3 不能 4 能 5 能 6 能

第三:记录摆杆从自然下垂状态开始,尽快增加幅度,直至完成周期运动 所用的时间。 次数 时间 (s) 1 27 2 15 3 10 4 8 5 6 平均 13.2

4.3 发挥部分的测试结果
第四:使摆杆出于自然下垂状态开始,控制旋转臂做往复旋转运动,尽快使 摆杆摆起倒立,记录倒立的时间。 次数 时间 (s) 1 7 2 12 3 11 4 13 5 14 平均 13.4

第五:在摆杆保持倒立状态的前提下,旋转臂做圆周运动,使单方向达到角 度或超过360°所使用的时间。 次数 1 2 3 4 5 平均
13

时间 (s)

165

120

100

60

40

97

五 设计总结
经过几天的辛勤努力,本设计实现了题目的全部要求。在软件编程方面, 成功的通过软件编程消除了电机的抖动问题,采用的方法是:通过 A/D 转换采 集倾角传感器的数据,10 个数据一组,然后取平均值。在硬件方面,在最短时 间内通过实践找到了最适合的器件。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。在以后的学习生活中,我们一定更见努力虚心的学习,我们将继续努力 争取更大的进步。

六 参考文献
[1] 郭天祥 .新概念 51 单片机 C 语言教程.电子工业出版社 [2] 何信龙,李雪银.PIC16F876 快速上手.北京:清华大学出版社,2002.1 [3] 许理,赵英俊.基于单片机的增量式光电编码器接口的设计[J].机械与 子.2006.9 [4] 全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇 编,北京:北京理工大学出版社,2004.8

附录一 程序: void du_xian() { Init_ADXL345(); Multiple_Read_ADXL345(); 中
14

//初始化 ADXL345 //连续读出数据,存储在 BUF

data_xyz[0]=(BUF[1]<<8)+BUF[0]; data_xyz[1]=(BUF[3]<<8)+BUF[2]; data_xyz[2]=(BUF[5]<<8)+BUF[4];

//合成数据 //合成数据 //合成数据

//分别是加速度 X,Y,Z 的原始数据,10 位的 Q=(float)data_xyz[0]*3.9; T=(float)data_xyz[1]*3.9; K=(float)data_xyz[2]*3.9; Q=-Q;

x=(float)(((atan2(K,Q)*180)/3.14159265)+180); 度值 0-360° y=(float)(((atan2(K,T)*180)/3.14159265)+180); 值 z=(float)(((atan2(Q,T)*180)/3.14159265)+180);

//X 轴角

//Y 轴角度

//z 轴角度?

//*************************************************************** ******** //显示 x 轴

conversion(x); 轴,或者 Y 轴 L1602_char(1,1,'X'); L1602_char(1,2,':'); L1602_char(1,3,'0'+bai); L1602_char(1,4,'0'+shi); L1602_char(1,5,'0'+ge);

// 转换出显示需要的数据 X

15

//*************************************************************** ******** //显示 y 轴

conversion(y); 轴,或者 Y 轴 L1602_char(2,1,'y'); L1602_char(2,2,':'); L1602_char(2,3,'0'+bai); L1602_char(2,4,'0'+shi); L1602_char(2,5,'0'+ge);

// 转换出显示需要的数据 X

//*************************************************************** ******** //显示 z 轴

conversion(z); 轴,或者 Y 轴 L1602_char(1,11,'z'); L1602_char(1,12,':'); L1602_char(1,13,'0'+bai); L1602_char(1,14,'0'+shi); L1602_char(1,15,'0'+ge); }

// 转换出显示需要的数据 X

16

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