2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽

2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置（C題）【本科組】摘要： 通過對該測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)的分析，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)了以微控制器MC9S12XS128系列單片機(jī)為核心的旋轉(zhuǎn)倒立擺控制系統(tǒng)。通過采集的角度值與平衡位置進(jìn)行比較，使用PD算法，從而達(dá)到控制電機(jī)的目的。其工作過程為：角位移傳感器WDS35D通過對擺桿擺動過程中的信號采集然后經(jīng)過A/D采樣后反饋給主控制器?？刂破鞲鶕?jù)角度傳感器反饋信號進(jìn)行PID數(shù)據(jù)處理，從而對電機(jī)的轉(zhuǎn)動做出調(diào)整，進(jìn)行可靠的閉環(huán)控制，使用按鍵調(diào)節(jié)P、D的值，同時(shí)由顯示模塊顯示當(dāng)前的P、D值。關(guān)鍵字：倒立擺、直流電機(jī)、MC9S12XS128單片機(jī)、角位移傳感器WDS35D、PD算法

目錄TOC\o"1-2"\h\u一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 31設(shè)計(jì)任務(wù) 32設(shè)計(jì)要求 3二系統(tǒng)方案 41系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 42方案比較與選擇 4（1）角度傳感器方案比較與選擇 4（2）驅(qū)動器方案比較與選擇 5三理論分析與計(jì)算 51電機(jī)的選型 52擺桿狀態(tài)檢測 53驅(qū)動與控制算法 5四電路與程序設(shè)計(jì) 61電路設(shè)計(jì) 6（1）最小系統(tǒng)模塊電路 6（2）5110顯示模塊電路設(shè)計(jì) 7（3）電機(jī)驅(qū)動模塊電路設(shè)計(jì) 8（4）角位移傳感器模塊電路設(shè)計(jì) 8（5）電源穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì) 82程序結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì) 9五系統(tǒng)測試與誤差分析 10測試方案 10測試使用儀器 10測試結(jié)果與誤差分析 106結(jié)論 11參考文獻(xiàn) 11附錄1程序清單（部分） 12附錄2主板電路圖 15附錄3主要元器件清單 16一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一套簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置。旋轉(zhuǎn)倒立擺的結(jié)構(gòu)如圖1所示。電動機(jī)A固定在支架B上，通過轉(zhuǎn)軸F驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臂C旋轉(zhuǎn)。擺桿E通過轉(zhuǎn)軸D固定在旋轉(zhuǎn)臂C的一端，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臂C在電動機(jī)A驅(qū)動下作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，帶動擺桿E在垂直于旋轉(zhuǎn)臂C的平面作自由旋轉(zhuǎn)。如下圖所示2設(shè)計(jì)要求基本要求：①擺桿從處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開始，驅(qū)動電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)使擺桿擺動，并盡快使擺角達(dá)到或超過﹣60°~+60°；②從擺桿處于下垂?fàn)顟B(tài)開始，盡快增大擺桿的擺動幅度，直至完成圓周運(yùn)動；③在擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)下，外力拉起擺桿至接近165°位置，外力撤出同時(shí)，啟動控制旋轉(zhuǎn)臂使擺桿保持倒立狀態(tài)時(shí)間不少于5s；期間旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動不大于90°。發(fā)揮部分：①從擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開始，控制旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，盡快使擺桿擺起倒立，保持倒立時(shí)間不少于10s；②在擺桿保持倒立狀態(tài)下，施加干擾后擺桿能繼續(xù)保持倒立或2s內(nèi)回復(fù)倒立狀態(tài)；③在擺桿保持倒立狀態(tài)的前提下，旋轉(zhuǎn)臂作圓周運(yùn)動，并盡快使單方向轉(zhuǎn)過角度達(dá)到或超過360°。二系統(tǒng)方案1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括MC9S12XS128單片機(jī)；直流電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動模塊；角位移傳感器。由直流電機(jī)來控制旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動從而來使擺桿擺動，在擺桿的轉(zhuǎn)軸處加上角位移傳感器，使擺桿一開始能快速得擺動出來，并且能保持倒立的狀態(tài)，框圖如下：MC9S12XS128MC9S12XS128單片機(jī)BTN7971驅(qū)動直流電機(jī)角位移傳感器擺桿內(nèi)置AD2方案比較與選擇（1）角度傳感器方案比較與選擇 方案①選擇角位移傳感器：角位移傳感器它采用非接觸式專利設(shè)計(jì)，與同步分析器和電位計(jì)等其他傳統(tǒng)的角位移測量儀相比，有效地提高了精度。 方案②選擇陀螺儀：陀螺儀傳感器最主要的特性是它的穩(wěn)定性和進(jìn)動性。它是用來感測和維持方向的裝置，主要用在航空來判斷方向，在此次設(shè)計(jì)中想到用陀螺儀來控制擺桿角度，但判斷比較復(fù)雜，不實(shí)用。 因此我們選擇角位移傳感器。（2）驅(qū)動器方案比較與選擇 方案①選擇L298：L298工作電壓為12V，電流到2A。但是它的驅(qū)動能力弱，不滿足我們的需求。方案②選擇BTN7971：相對于L298,這款驅(qū)動器有著跟強(qiáng)大得驅(qū)動能力。它與單片機(jī)5V隔離保護(hù)單片機(jī)；它的PWM1，PWM2最高支持15V，此驅(qū)動集成的模塊反應(yīng)迅速，發(fā)熱量小。因此我們選擇BTN7971。三理論分析與計(jì)算1電機(jī)的選型一開始我們選擇步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，即通過驅(qū)動器信號輸入的脈沖數(shù)量和頻率實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的角度和速度控制，無需反饋信號。它可以旋轉(zhuǎn)極小的角度，從而實(shí)現(xiàn)倒立擺的功能。但我們實(shí)際操作起來轉(zhuǎn)速比較慢，加上旋轉(zhuǎn)臂等后速度緩慢。后來選擇直流電機(jī)：通過直流電機(jī)來帶動旋轉(zhuǎn)臂，從而帶動擺桿。直流電機(jī)控制簡單，只要加上合適的電壓就會轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速相比步進(jìn)電機(jī)更快，比較適合本題的要求，而且更適用于PD算法，便于擺桿保持倒立狀態(tài)。2擺桿狀態(tài)檢測 擺桿狀態(tài)的檢測主要要用角位移傳感器，然后通過芯片內(nèi)置AD每隔讀取到數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成角度，通過PID算法調(diào)節(jié)電機(jī)直立效果。假如當(dāng)擺桿在倒立狀態(tài)時(shí)，然后用手往右旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后松手（采用PD算法，當(dāng)偏離平衡角度越大，則PD反饋給電機(jī)占空比的值就越大），角位移傳感器則將角度信號傳給AD，再通過PID算法給芯片，讓電機(jī)向右旋轉(zhuǎn)，使擺桿能保持倒立的狀態(tài)。3驅(qū)動與控制算法擺桿的運(yùn)動時(shí)一個(gè)連續(xù)變化的過程，旋轉(zhuǎn)的變化也是一個(gè)連續(xù)漸變的過程。在連續(xù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，按偏差，比列，微分，積分進(jìn)行的PID控制技術(shù)一種應(yīng)用最廣泛的控制方式。他具有龐簡單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣等一系列優(yōu)點(diǎn)。 連續(xù)PID控制器也稱比列—積分—微分指控器，即過程控制是按誤差的比列，積分和微分對系統(tǒng)進(jìn)行控制。PID算法的控制數(shù)學(xué)模型為：本程序采用PD控制，能夠加大系統(tǒng)的反應(yīng)速度。四電路與程序設(shè)計(jì)1電路設(shè)計(jì)（1）最小系統(tǒng)模塊電路此次設(shè)計(jì)我們采用MC9S12XS128單片機(jī)，它是一款增強(qiáng)型16位單片機(jī)，該單片機(jī)采用CPU12XV2內(nèi)核，可運(yùn)行在40MHz總線頻率上。存儲器：128KBFLASH；2KBEEPROM;8KBRAM。A/D:16通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器；可選8位，10位和12位精度。PWM：8位9通道或16位4通道PWM。所有考慮用此芯片為最小系統(tǒng)。（2）5110顯示模塊電路設(shè)計(jì)5110顯示屏是一款經(jīng)典的機(jī)型，它的性價(jià)比高，可以顯示15個(gè)漢字，30個(gè)字符。價(jià)格便宜。接口就四根I/O即可驅(qū)動，速度快。用它來顯示PID的P和D的數(shù)值。其按鍵1為選擇參數(shù)，按鍵2為增加參數(shù)值，按鍵3為減少參數(shù)值，按鍵4為啟動鍵，如下圖所示。（3）電機(jī)驅(qū)動模塊電路設(shè)計(jì)此次倒立擺的旋轉(zhuǎn)臂由直流電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)，通過BTN7971驅(qū)動器來驅(qū)動。BTN7971內(nèi)部包含2通道邏輯驅(qū)動電路，可以方便的驅(qū)動直流電機(jī)。BTN7971的供電電壓典型值為，電流為1A。BTN7971驅(qū)動模塊連線為：VCC接5V給芯片供電；EN端接高電平使能；P1/P5為PWM占空比控制與單片機(jī)連接；OUT1/2連接直流電機(jī)。（4）角位移傳感器模塊電路設(shè)計(jì)該WDS35D傳感器采用特殊形狀的轉(zhuǎn)子和繞線線圈，模擬線性可變差動傳感器的線性位移，有較高的可靠性和性能，轉(zhuǎn)子軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生線性輸出信號，圍繞出廠預(yù)置的零位移動±60度。此輸出信號的相位指示離開零位的位移方向。轉(zhuǎn)子的非接觸式電子耦合使傳感器具有無限的分辨率，即絕對測量度可達(dá)到零點(diǎn)幾度。 用高精度角位移傳感器WDS35D來采集擺桿的運(yùn)動信號，本系統(tǒng)采用一個(gè)角度傳感器裝在轉(zhuǎn)軸上。這樣可以控制電機(jī)精確的轉(zhuǎn)動。只需給傳感器一個(gè)5V的電壓，當(dāng)使擺桿擺動時(shí)，轉(zhuǎn)軸會轉(zhuǎn)動，傳感器也會隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動并且輸出一系列連續(xù)變化的模擬值。可以將該模擬值直接送給單片機(jī)內(nèi)部的AD進(jìn)行采樣再用數(shù)學(xué)擬合算法曲線處理之后控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。傳感器A/D轉(zhuǎn)換控制器角度信號電壓信號數(shù)字信號 采集電壓：傳感器A/D轉(zhuǎn)換控制器角度信號電壓信號數(shù)字信號（5）電源穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)如下圖為電源穩(wěn)壓模塊，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的5V的電壓來供電。2程序結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)顯示P,D值開始顯示P,D值開始超頻，初始化端口5110初始化，清屏For（；；）按鍵掃描參數(shù)修改五系統(tǒng)測試與誤差分析 測試方案①硬件檢測：采用數(shù)字萬用表對電路板連接情況測試。②基礎(chǔ)部分檢測：基礎(chǔ)部分的三個(gè)要求。③發(fā)揮部分檢測：發(fā)揮部分的三個(gè)要求。 測試使用儀器量角器，數(shù)字萬用表VC890D，示波器DS2101，秒表。 測試結(jié)果與誤差分析擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)，觀察擺角到達(dá)60°和時(shí)間。次數(shù)1234時(shí)間2s擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)，觀察擺桿完成圓周運(yùn)動時(shí)間次數(shù)1234時(shí)間擺桿處入自然下垂?fàn)顟B(tài)，外力拉起擺桿接近165°，擺桿保持倒立不少于5s，觀察旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動角度。次數(shù)1234角度失敗失敗原因：電機(jī)馬力不足，pd值未調(diào)好。擺桿處入自然下垂?fàn)顟B(tài)，然后盡快讓擺桿倒立并保持10s以上，觀察所需時(shí)間。次數(shù)1234時(shí)間失敗失敗失敗失敗失敗原因：電機(jī)馬力不足，擺桿頭重腳輕而且調(diào)試時(shí)間不足，導(dǎo)致PD值未調(diào)好

結(jié)論本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心部分，根據(jù)角度傳感器采集來的信息，經(jīng)計(jì)算得出數(shù)據(jù)來控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而達(dá)到系統(tǒng)的基本要求。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，力求硬件線路簡單，充分發(fā)揮軟件編程靈活的特點(diǎn)，來滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。因?yàn)闀r(shí)間有限，該系統(tǒng)還有許多值得修改的地方；比如對此系統(tǒng)來講，PID算法并不是最優(yōu)算法；硬件電路的設(shè)計(jì)還需優(yōu)化，以減小系統(tǒng)的阻力等等。因此，系統(tǒng)還有待改進(jìn)。在這段時(shí)間內(nèi)的試驗(yàn)過程中，我們遇到過許多的問題，需要我們自己去考慮，去動手，去解決。平時(shí)我們多是時(shí)間只是在學(xué)習(xí)理論知識，在準(zhǔn)備比賽和進(jìn)行比賽這段時(shí)間內(nèi)，我們將平時(shí)課本上學(xué)習(xí)的知識真正的運(yùn)用到實(shí)踐中，經(jīng)過此次競賽我們認(rèn)識到了團(tuán)隊(duì)合作的重要性，充分領(lǐng)會了大賽的精神，全隊(duì)每個(gè)成員均得到寶貴的創(chuàng)作經(jīng)驗(yàn)。參考文獻(xiàn)[1]大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽組委會.《第五屆全國電子設(shè)計(jì)競賽獲獎作品編選》.北京：北京理工大學(xué)出版社，2003[2]何立民.《單片機(jī)高級教程應(yīng)用設(shè)計(jì)》.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000[3]朱定華.《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》.電子工業(yè)出版社，2006[4]吳建平.《傳感器原理及應(yīng)用》.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009[5]郁有文.《傳感器原理及工程應(yīng)用》.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008

附錄1程序清單（部分）//主函數(shù)#include<>/*commondefinesandmacros*/#include""/*derivative-specificdefinitions*/#include""#definePITTIME800//定時(shí)，，1000*5usintPJT=478;//平衡位置角度傳感器Ad值voidPLL(void)//48MHz外部時(shí)鐘16MHz{CLKSEL=0X00;//禁止使用鎖相環(huán)，系統(tǒng)頻率=外部晶振，總線頻率=系統(tǒng)頻率/2 PLLCTL_PLLON=1;//打開鎖相環(huán) SYNR=0x40|0x03;//PLLclock=2*osc*(1+SYNR)/(1+REFDV)=96M; REFDV=0x80|0x01; POSTDIV=0x00; _asm(nop);//當(dāng)POSTDIV=0x00時(shí)，BUSCLOCK=PLLclock/2=48M _asm(nop); while(!(CRGFLG_LOCK==1));//等待鎖相環(huán)初始化完成 CLKSEL_PLLSEL=1;//使用鎖相環(huán)頻率作為系統(tǒng)頻率}voidPIT_init(void)//定時(shí)中斷初始化函數(shù)5uS定時(shí)中斷設(shè)置{PITCFLMT_PITE=0;//PIT禁止 PITCE_PCE0=1;//定時(shí)器通道0使能 PITMTLD0=199;//8位定時(shí)器初值設(shè)定,240分頻，在48MHzBusClock下，為。即5us PITLD0=PITTIME-1;//16位定時(shí)器初值設(shè)定。10ms PITINTE_PINTE0=1;//定時(shí)器中斷通道0中斷使能 PITMUX_PMUX0=0;//通道0的16位定時(shí)器與微時(shí)基0連接 PITCFLMT_PITE=1;//PIT使能}voidmain(void){/*putyourowncodehere*/DisableInterrupts;IRQCR=0x00;//關(guān)閉PE01中斷ECLKCTL=0XC0;//關(guān)閉PE4ECLOCKPLL();INIT_PWM();INIT_AD();PIT_init();UART_Init();DDRA=0xFF;PORTA=0x00;PORTB=0x00;DDRB=0x00;LCD_init();//初始化LCD模塊LCD_clear();//清屏幕xian(); EnableInterrupts;for(;;){keyscan();canshuxiugai();jdp(KKK);jdd(KKP);}}//初始化頭文件#ifndef_INIT_H_#define_INIT_H_externvoidINIT_AD(void);externunsignedintAD_capture(unsignedchars);externvoidINIT_PWM(void);externvoidMOTOR_set(intLL);externvo