全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽報(bào)告一等獎(jiǎng)

1、.2013 年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置C 題【本科組】摘要：MC9S12XS128PDWDS35DPIDP、DP、D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 HYPERLINK l _TOC_250027 一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求3 HYPERLINK l _TOC_250026 設(shè)計(jì)任務(wù)3 HYPERLINK l _TOC_250025 設(shè)計(jì)要求3 HYPERLINK l _TOC_250024 二系統(tǒng)方案4 HYPERLINK l _TOC_250023 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4 HYPERLINK l _TOC_250022

2、 方案比擬與選擇4 HYPERLINK l _TOC_250021 1角度傳感器方案比擬與選擇4 HYPERLINK l _TOC_250020 2驅(qū)動(dòng)器方案比擬與選擇5 HYPERLINK l _TOC_250019 三理論分析與計(jì)算5 HYPERLINK l _TOC_250018 電機(jī)的選型5 HYPERLINK l _TOC_250017 擺桿狀態(tài)檢測(cè)5 HYPERLINK l _TOC_250016 驅(qū)動(dòng)與控制算法5 HYPERLINK l _TOC_250015 四電路與程序設(shè)計(jì)6 HYPERLINK l _TOC_250014 電路設(shè)計(jì)6 HYPERLINK l _TOC_250

3、013 1最小系統(tǒng)模塊電路6 HYPERLINK l _TOC_250012 2顯示模塊電路設(shè)計(jì)7 HYPERLINK l _TOC_250011 3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)8 HYPERLINK l _TOC_250010 4角位移傳感器模塊電路設(shè)計(jì)8 HYPERLINK l _TOC_250009 5電源穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)8 HYPERLINK l _TOC_250008 程序結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)9 HYPERLINK l _TOC_250007 五系統(tǒng)測(cè)試與誤差分析10 HYPERLINK l _TOC_250006 測(cè)試方案10 HYPERLINK l _TOC_250005 測(cè)試使用儀器10 HYPER

4、LINK l _TOC_250004 測(cè)試結(jié)果與誤差分析10 HYPERLINK l _TOC_250003 6 結(jié)論11 HYPERLINK l _TOC_250002 參考文獻(xiàn)11 HYPERLINK l _TOC_250001 附錄1 程序清單局部12附錄2 主板電路圖15 HYPERLINK l _TOC_250000 附錄3 主要元器件清單16一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一套簡(jiǎn)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ABFCECCAEC設(shè)計(jì)要求1655s；90。發(fā)揮局部：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(dòng)， 盡快使擺桿擺起倒立，保持倒立時(shí)間不少于

5、 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(yùn)動(dòng)，并盡快使單方向轉(zhuǎn)過角度到達(dá)或超過 360。.驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)二 系統(tǒng)方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)MC9S12XS128MC9S12XS128單片機(jī)MC9S12XS128單片機(jī) 擺桿擺桿方案比擬與選擇角度傳感器方案比擬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(jì)，與同步分析器和電位計(jì)等其他傳統(tǒng)的角位移測(cè)量?jī)x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(dòng)性。用陀螺儀來控制擺桿角度，但判斷比擬復(fù)雜，不實(shí)用。因此我們選擇角位移

6、傳感器。驅(qū)動(dòng)器方案比擬與選擇2A不滿足我們的需求。BTN7971：L298,5VPWM1，PWM215V，此驅(qū)動(dòng)集成的模塊反響迅速，發(fā)熱量小。因此我們選擇 BTN7971。三 理論分析與計(jì)算電機(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(dòng)器信號(hào)后來選擇直流電機(jī)：通過直流電機(jī)來帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂，從而帶動(dòng)擺桿。直流電機(jī)PD擺桿狀態(tài)檢測(cè)ADPIDPDPDAD，PID狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)與控制算法PID連續(xù)PID積分和微分對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。PID本程序采用 PD 控制，能夠加大系統(tǒng)的反響速度。四 電路與程序設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)1最小系統(tǒng)模塊電路MC9S12XS12816CPU12XV240MHzFLASH

7、； 2KBEEPROM;8KBRAMA/D:168129164PWM。所有考慮用此芯片為最小系統(tǒng)。.；:;圖H= , I |g E召音E 巳至gl l 1 1 l l l I I l l l l I I l lI - ;g；1”: ,“ I3 p h/沁P.U1笆色色蘭總 甘；翻 i：?。籫彗g：；1 lu, 2_,1 孝沁莊讓( 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)格廉價(jià)。接口就四根 I/ 0 ， 速度快。用它來顯示PID 的 P 和D 。其按鍵 l 為選擇參數(shù)， 2 為增加參數(shù)值， 3 為減少參數(shù)值

8、， 4 為啟動(dòng)鍵如下列圖所示。.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器來驅(qū)動(dòng)。BTN79712BTN79717.2V，1A。BTN7971：VCC5V；P1/P5PWM；OUT1/2 連接直流電機(jī)。4角位移傳感器模塊電路設(shè)計(jì)WDS35DWDS35D5VAD電壓信號(hào)數(shù)字信號(hào)A/D 轉(zhuǎn)換控制器角度信號(hào)電壓信號(hào)數(shù)字信號(hào)A/D 轉(zhuǎn)換控制器采集電壓：V ad*5V ；5360 。由這兩個(gè)公式推算出 * 3605電源穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)如下列圖為電源穩(wěn)壓模塊，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的 5V 的電壓來供電。 , .,b5VI7878.五 系統(tǒng)測(cè)試與誤差分析測(cè)試方案硬件檢測(cè)：采

9、用數(shù)字萬用表對(duì)電路板連接情況測(cè)試。根底局部檢測(cè)：根底局部的三個(gè)要求。發(fā)揮局部檢測(cè)：發(fā)揮局部的三個(gè)要求。測(cè)試使用儀器量角器，數(shù)字萬用表 VC890D，示波器 DS2101，秒表。測(cè)試結(jié)果與誤差分析次數(shù)時(shí)間1次數(shù)時(shí)間12s234次數(shù)時(shí)間次數(shù)時(shí)間1234次數(shù)角度123次數(shù)角度123失敗4失敗原因：電機(jī)馬力缺乏，pd 值未調(diào)好。10s次數(shù)1234時(shí)間失敗失敗失敗失敗失敗原因：電機(jī)馬力缺乏，擺桿頭重腳輕而且調(diào)試時(shí)間缺乏，導(dǎo)致 PD 值未調(diào)好6結(jié)論硬件電路的設(shè)計(jì)還需優(yōu)化，以減小系統(tǒng)的阻力等等。因此，系統(tǒng)還有待改良。參考文獻(xiàn)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì).?第五屆全國(guó)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲 獎(jiǎng)作品編選?.北京：北京理工大

10、學(xué)出版社，2003何立民.?單片機(jī)高級(jí)教程應(yīng)用設(shè)計(jì)?.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000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?.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程序清單局部/主函數(shù)#include/* common defines and macros*/#includederivative.h/* derivative-specific definitions */ #includeinit.h#definePITTIME800/定時(shí)，1000*5usintPJT=478;/平衡位置角度

11、傳感器AdvoidPLL(void)/48MHz外部時(shí)鐘16MHzCLKSEL=0X00;/系統(tǒng)頻率PLLCTL_PLLON=1;/翻開鎖相環(huán)SYNR =0 x40|0 x03;REFDV=0 x80 |0 x01;POSTDIV=0 x00;_asm(nop);/POSTDIV=0 x00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voidPIT_init(void)/定時(shí)中斷初始化函數(shù)定時(shí)中斷設(shè)置PITCFLMT_PITE=0;/PIT禁止

12、PITCE_PCE0=1;/定時(shí)器通道PITMTLD0=199;分頻，在48MHzBusClock下，為。即5usPITLD0=PITTIME-1;/16位定時(shí)器初值設(shè)定。PITINTE_PINTE0=1;/定時(shí)器中斷通道0中斷使能PITMUX_PMUX0=0;/通道的16位定時(shí)器與微時(shí)基0PITCFLMT_PITE=1;/PITvoid main(void) /* put your own code here */ DisableInterrupts;IRQCR=0 x00;/關(guān)閉PE01中斷ECLKCTL=0XC0;/關(guān)閉PE4PLL();INIT_AD();PIT_init();UART

13、_Init ();DDRA=0 xFF;DDRB=0 x00;LCD_init();/初始化LCD模LCD_clear();/清 屏 幕 xian();EnableInterrupts;for(;) keyscan(); 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

14、); extern void speedout(void);extern void LCD_init(void); extern void LCD_clear(void);extern void xian(void);externvoidLCD_write_zimu(unsignedcharrow,unsignedcharpage,unsignedchar c);extern void jdp(int number0); extern void jdd(float number1);extern int PJT,KKK; extern int leftout,KAI;extern float OutData4; extern void UART_Init(void); extern voidOutPut_Data(void);extern voiduart_putchar(void);extern void keyscan(void)