全國電子設(shè)計大賽報告一等獎

1、2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽簡易旋轉(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)和特點的分析，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)設(shè)計理念實現(xiàn)了以微控制器MC9S12XS128系列單片機為核心的旋轉(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、MC9S12XS128單片

2、機 、角位移傳感器WDS35D、PD算法目錄一、設(shè)計任務(wù)與要求31 設(shè)計任務(wù)32 設(shè)計要求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 理論分析與計算51 電機的選型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61 電路設(shè)計6（1）最小系統(tǒng)模塊電路6（2）5110顯示模塊電路設(shè)計7（3）電機驅(qū)動模塊電路設(shè)計8（4）角位移傳感器模塊電路設(shè)計8（5）電源穩(wěn)壓模塊設(shè)計82 程序結(jié)構(gòu)與設(shè)計9五 系統(tǒng)測試與誤差分析105.1 測試方案105.2 測試使用儀器105.3 測試結(jié)果與誤差分析106 結(jié)論11參考文獻(xiàn)11附錄

3、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)計任務(wù)與要求1 設(shè)計任務(wù)設(shè)計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A驅(qū)動下作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運動時，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)計要求基本要求：擺桿從處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開始，驅(qū)動電機帶動旋轉(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°；從擺桿處于下垂?fàn)顟B(tài)開始，盡快增大擺桿的擺動幅度，直至完成圓周運動；在擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)下，外

4、力拉起擺桿至接近165°位置，外力撤出同時，啟動控制旋轉(zhuǎn)臂使擺桿保持倒立狀態(tài)時間不少于5s；期間旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動不大于90°。 發(fā)揮部分：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)運動，盡快使擺桿擺起倒立，保持倒立時間不少于10s；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)；在擺桿保持倒立狀態(tài)的前提下，旋轉(zhuǎn)臂作圓周運動，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；直流電機和電機驅(qū)動模塊；角位移傳感器。由直流電機來控制旋轉(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，

5、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：MC9S12XS128單片機BTN7971驅(qū)動直流電機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，與同步分析器和電位計等其他傳統(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)計中想到用陀螺儀來控制擺桿角度，但判斷比較復(fù)雜，不實用。因此我們選擇角位移傳感器。（2） 驅(qū)動器方案比較與選擇 方案選擇L298：L298工作電壓為12V，

6、電流到2A。但是它的驅(qū)動能力弱，不滿足我們的需求。方案選擇BTN7971：相對于L298,這款驅(qū)動器有著跟強大得驅(qū)動能力。它與單片機5V隔離保護(hù)單片機；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 理論分析與計算1 電機的選型一開始我們選擇步進(jìn)電機：步進(jìn)電機可以實現(xiàn)開環(huán)控制，即通過驅(qū)動器信號輸入的脈沖數(shù)量和頻率實現(xiàn)步進(jìn)電機的角度和速度控制，無需反饋信號。它可以旋轉(zhuǎn)極小的角度，從而實現(xiàn)倒立擺的功能。但我們實際操作起來轉(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：通過直流電機來帶動旋轉(zhuǎn)臂，從而帶動擺桿。直流電機控制簡單，只要加上合

7、適的電壓就會轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速相比步進(jìn)電機更快，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0.5ms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)電機直立效果。假如當(dāng)擺桿在倒立狀態(tài)時，然后用手往右旋轉(zhuǎn)一個角度后松手（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動時一個連續(xù)變化的過程，旋轉(zhuǎn)的變化也是一個連續(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，

8、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，易于實現(xiàn)，適用面廣等一系列優(yōu)點。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1 電路設(shè)計（1）最小系統(tǒng)模塊電路此次設(shè)計我們采用MC9S12XS128單片機，它是一款增強型16位單片機，該單片機采用CPU12X V2內(nèi)核，可運行在40MHz總線頻率上。存儲器：128KB FLASH；2KB EEPROM;8KB RAM 。 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

9、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5110顯示屏是一款經(jīng)典的機型，它的性價比高，可以顯示15個漢字，30個字符。價格便宜。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）電機驅(qū)動模塊電路設(shè)計此次倒立擺的旋轉(zhuǎn)臂由直流電機控制旋轉(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。BTN7971的供電電壓典型值為7.2V，電流為1A。BTN7971驅(qū)動模塊連線為：VCC接5V給芯片供電；

10、EN端接高電平使能；P1/P5為PWM占空比控制與單片機連接；OUT1/2連接直流電機。（4）角位移傳感器模塊電路設(shè)計該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)到零點幾度。 用高精度角位移傳感器WDS35D來采集擺桿的運動信號，本系統(tǒng)采用一個角度傳感器裝在轉(zhuǎn)軸上。這樣可以控制電機精確的轉(zhuǎn)動。只需給傳感器一個5V的電壓，當(dāng)使擺桿擺動時，轉(zhuǎn)軸會轉(zhuǎn)動，傳感器也

11、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：；。由這兩個公式推算出（5）電源穩(wěn)壓模塊設(shè)計如下圖為電源穩(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5.1 測試方案硬件檢測：采用數(shù)字萬用表對電路板連接情況測試?；A(chǔ)部分檢測：基礎(chǔ)部分的三個要求。發(fā)揮部分檢測：發(fā)揮部分的三個要求。5.2 測試使用儀器量角器，數(shù)字萬用表VC890D，示波器DS

12、2101，秒表。5.3 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°和時間。次數(shù)1234時間2s1.9s1.89s1.94s 擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)，觀察擺桿完成圓周運動時間次數(shù)1234時間3.5s3.2s3.5s3.5s 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0.50.6失敗0.5失敗原因：電機馬力不足，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，觀察所需時間。次數(shù)1234時間失敗失敗失敗失敗失敗原因：電機馬力不足，擺桿頭重腳輕而且調(diào)試時間不足，導(dǎo)致PD值未

13、調(diào)好6 結(jié)論本系統(tǒng)以單片機為核心部分，根據(jù)角度傳感器采集來的信息，經(jīng)計算得出數(shù)據(jù)來控制直流電機轉(zhuǎn)動，從而達(dá)到系統(tǒng)的基本要求。在系統(tǒng)設(shè)計中，力求硬件線路簡單，充分發(fā)揮軟件編程靈活的特點，來滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。因為時間有限，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)。在這段時間內(nèi)的試驗過程中，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。平時我們多是時間只是在學(xué)習(xí)理論知識，在準(zhǔn)備比賽和進(jìn)行比賽這段時間內(nèi)，我們將平時課本上學(xué)習(xí)的知識真正的運用到實踐中，經(jīng)過此次競賽我們認(rèn)識到了團(tuán)隊合作的重要性

14、，充分領(lǐng)會了大賽的精神，全隊每個成員均得到寶貴的創(chuàng)作經(jīng)驗。參考文獻(xiàn)1大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會.第五屆全國電子設(shè)計競賽獲獎作品編選.北京：北京理工大學(xué)出版社，20032何立民.單片機高級教程應(yīng)用設(shè)計.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20003朱定華.單片機原理與接口技術(shù).電子工業(yè)出版社，20064吳建平.傳感器原理及應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社，20095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 <hidef.h> /* common defines and macros */#include "der

15、ivative.h" /* derivative-specific definitions */#include "init.h" #define PITTIME 800 /定時，1000*5usint PJT=478; /平衡位置角度傳感器Ad值void PLL(void) /48MHz 外部時鐘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/2PLLCTL_PLLON=1; /打開鎖相環(huán) SYNR =0x40 | 0x03; /PLLclock=2*osc*(1+SYNR)/(1+REFDV)=96M; REFD

16、V=0x80 | 0x01; POSTDIV=0x00; _asm(nop); /當(dāng)POSTDIV=0x00時，BUS CLOCK=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void PIT_init(void) /定時中斷初始化函數(shù)5uS定時中斷設(shè)置 PITCFLMT_PITE=0; /PIT禁止PITCE_PCE0=1; /定時器通道0使能PITMTLD0=199; /8位定時器初值設(shè)定,240分頻，在48MHzBusClock下，為0.2MHz。即5

17、usPITLD0=PITTIME-1; /16位定時器初值設(shè)定。10msPITINTE_PINTE0=1; /定時器中斷通道0中斷使能PITMUX_PMUX0=0; /通道0的16位定時器與微時基0連接 PITCFLMT_PITE=1; /PIT使能 void main(void) /* put your own code here */ DisableInterrupts; IRQCR=0x00; /關(guān)閉PE0 1中斷 ECLKCTL=0XC0; /關(guān)閉PE4 ECLOCK PLL(); INIT_PWM(); INIT_AD(); PIT_init(); UART_Init (); DDR

18、A=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_extern void INIT_AD(void) ;extern unsigned int AD_capture(unsigned char s);extern void INIT_PWM(void);extern void MOTOR_set(int LL); extern void speedout(void);extern void LCD_init(void);e