旋转倒立摆设计报告

旋转倒立摆

摘要：

倒立摆的控制是控制理论研究中的一个经典问题，通过旋转式倒立摆控制系统的总体结构和工作原理，硬件系统和软件系统的设计与实现等方面，对系统模型进行动力学分析，建立合适的状态空间方程，通过反馈方法实现倒立控制，通过反复的实验，记录，分析数据，总结出比较稳定可行的控制方法。

本系统采用STC89C52作为主控制芯片，WDJ36-1高精度角位移传感器作为系统状态测试装置，通过ADC0832将采集的模拟电压量转化为数字量，传送给STC89C52进行分析处理，并依此为依据控制电机的运转状态，间接地控制摆杆的运动状态。

通过不断地测量、分析，并调整系统控制的参数，基本达到了题目的要求，并通过此次的练习，进一步熟悉掌握了单片机的应用，对控制系统的了解和兴趣。

关键词：单片机最小系统； WDJ36-1角位移传感器; 旋转倒立摆；状态反馈；稳定性；

目录

1.系统方案 (4)

1.1 微控制器模块 (4)

1.2电机模块 (4)

1.3电机驱动模块 (4)

1.4角度传感器模块 (5)

1.5电源模块 (5)

1.6显示模块 (5)

1.7最终方案 (6)

2.主要硬件电路设计 (6)

2.1电机驱动电路的设计 (6)

2.2角度检测电路的设计： (7)

3.软件实现 (7)

3.1理论分析 (7)

3.2总体流程图 (7)

3.3平衡调节流程图 (9)

4 .系统理论分析及计算.................. . (10)

4.1系统分析 (10)

4.2 摆臂摆角的计算.................. . (10)

5．系统功能测试： (10)

5.1测试方案 (10)

5.2测试结果 (10)

5.3测试分析及结论 (10)

6.结束语 (11)

1.系统方案：

1.1 微控制器模块

方案一：采用可编程逻辑期间CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。

方案二：采用Atmel公司的stc89c52单片机作为主控制器。Stc89c52是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS 8位单片机，片内含8k空间的可反复擦些1000次的Flash只读存储器，具有256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个IO口，2个16位可编程定时计数器。且该系列的51单片机可以不用烧写器而直接用串口或并口就可以向单片机中下载程序。我们自己制作51最小系统板，体积很小，下载程序方便，放在车上不会占用太多的空间。

从方便使用的角度考虑，我们选择了方案二，采用Atmel公司的STC89C52单片机作为主控制器。

1.2电机模块

方案一：用步进电机。步进电机可以精确地控制角度和距离。步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在转速较高时会急剧下降，故其转速较低，不适用于倒立摆等有一定速度要求的系统，并且它的体积大，价格高，质量大，另外步进电机的编程复杂，增加了编程的难度。

方案二：采用直流电机。直流电机运转平稳，精度也有一定的保证，虽然没有步进电机那样高，但完全可以满足本题目的要求。通过单片机的PWM输出同样可以控制直流电机的旋转速度，实现旋转臂的速度控制。并且直流电机相对于步进电机价格经济。

综合性价比和功耗等方面的考虑，我们选择方案二，使用直流电机作为旋转倒立摆的驱动电机。

1.3电机驱动模块

方案一：采用继电器对电机的开关进行控制，可以完成电机的正转，反转，调速，但继电器响应时间慢，使倒立摆运动灵敏度降低，增加了摆角控制的难度。而且机械结构易磨损，可靠性不高。它适用于大功率电机的驱动，对于中小功率的电机则极不经济。

方案二：采用集成的驱动电路芯片L298N。L298N驱动芯片具有体积小，可

靠性安全性高，抗干扰能力强等优点，适合控制旋转倒立摆的运动。且有较大的电流驱动能力，连接方便简单。

综合以上考虑，我们选择方案二，使用L298驱动直流电机。

1.4角度传感器模块

MMA7361采用信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，提供±1．5g／6g两个量程，用户可在这2个灵敏度中选择。该器件带有低通滤波并已做0g补偿三轴加速度传感器是一种可以对物体运动过程中的加速度进行测量的电子设备，典型互动应用中的加速度传感器可以用来对物体的姿态或者运动方向进行检测

角位移传感器耐腐蚀，分辨率高，寿命长产品性能及特点：4-20mA CWY30U/I-300U/I系列高性能电子尺传感器采用导电塑料技术，利用分压器原理加入微电路模块后以电流形式输出(4-20mA)与直线位移成高精度的线性关系。产品特点是线性精度高、平滑性好、动态噪声小、机械寿命长、伺服槽安装等优良性能。

1.5电源模块

在本系统中，需要用到的电源有单片机的5V，L298N芯片的电源5V和电机的电源7-15V。所以需要对电源的提供必须正确和稳定可靠。

方案一：单电源供电。用这种接法比较简单，但小车的电路功耗过大会导致后轮电机动力不足。

方案二：采用双电源。为了确保单片机控制部分和后轮电机驱动的部分的电压不会互相影响，要把单片机的供电和驱动电路分开来，即：用直流电12v供给电机，单片机供电电源用直流5V，这样有助于消除电机干扰，提高系统的稳定性。

基于以上分析，我们选择了方案二，采用双电源供电。

1.6显示模块

方案一：用LED显示。数码管能显示数字和符号，颜色鲜艳，易于观察，可实时动态显示，编程简单，易于控制，优点亮度高、成本低，但不能显示汉字，显示内容较少，人机关系较差。

方案二：：采用带字库的LCD显示。LCD可以用全中文界面显示，显示内容丰富，易于人机交流，且可以串行接口，节省I/O资源，显示简单。

考虑到本题的要求，只需要一片LCD就可以实现，故我们选择方案二。

1.7最终方案

经过反复论证，我们最终确定了如下方案：

1采用STC89C52单片机作为主控制器。

2电机采用直流减速电机。

3采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。

4采用角位移传感器

5采用双电源供电。

6采用LCD1602液晶显示摆动时摆杆角度

2主要硬件电路设计

2.1电机驱动电路的设计

L298N驱动直流电机，它靠两个引脚控制一个电机的运动。智能寻迹小车采用后轮驱动，左右后轮各用一个直流减速电机驱动，通过调制后面两个轮子的转速或正反转来达到控制小车转向的目的。

图2 驱动电路图

2.2角度检测电路的设计：

图3 角位移传感器连接图

3软件实现

3.1理论分析

通过题目可知摆杆与竖直方向的夹角需要360度变化，当为0度角时摆杆处于平衡状态。当角度变化时，对应的角位移传感器会有一个电压值变化，通过对这个角度和对应电压值的测量，列表，统计，再编写对应程序控制电机旋转方向和转速，达到对倒立摆系统的自动控制。

3.2总体流程图

图4 系统总体框图

图5 程序控制系统总流程图

图6 角度调整流程图3.3平衡调节流程图

图7 倒立程序流程

4 系统理论分析及计算

4.1系统分析

此系统以高频角位移传感器采集的电压为控制信号，通过AD转换，再通过经单片机对信号的比较，输出电压信号到驱动电路实现对电机的控制，由于系统简单，所以对数据采集和处理足够快，能达到对倒立摆的精确控制。

4.2摆角的计算

5系统功能测试

5.1测试方法

由于连接电路时，电路中连接有LCD1602显示器，所以可以通过系统电路直接对角度和电压值进行测量，省去了复杂的外部器件的连接，通过反复的手动调节转轴的角度，并对照角度盘上的角度和显示角度来观察系统测试的准确性，方便了数据测量和记录，使系统的校准和调节更加方便，使系统的状态变化更加直观。

5.2测试仪器

量角器，LCD显示屏（显示角度和电压），秒表

5.3测试数据

. 表1 角度和电压的对应值

通过反复的测试，该系统完成转角60度所需要的时间小于3秒

完成圆周运动所需时间在4秒左右

测试结果均达到了题目的基本要求，所以认为已经合格

结束语

经过我们小组的努力，我们终于成功的完成了题目的要求,并在此基础上进行了创新。制作过程中，我们遇到了很多困难，比如角度传感器的使用，液晶的角度显示，摆杆寻找平衡点的不稳定性等。但我们通过自己研究，小组讨论，向其他同学请教，都一一克服了。经过这次比赛我们深刻体会到了团队精神和自己解决问题的能力，在此，衷心的感谢老师们对我们的培养。