简易旋转倒立摆及控制装置

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】

2013年9月7日

摘要

本题要求设计一个简易旋转倒立摆及控制系统，其中角度传感器、步进电机和单片机890C521是系统核心部件。系统接收角度传感器反馈的信号，通过PCF8591将接收的信号转换成数字信号，将数值送入单片机中进行计算，可得出摆杆的位置，进而单片机控制步进电机,对摆杆进行控制,达到所要的旋转或者倒立的控制目标。

关键词：简易旋转倒立摆步进电机单片机角度传感器

目录

1 设计任务及要求 (5)

1.1 设计任务 (5)

1.2 基本要求 (5)

2主控制器件的论证与选择 (6)

2.1控制器选用 (6)

2.2控制系统方案选择 (6)

2.3角度的获取模块论证与选择 (6)

2.4步进电机及其驱动模块的选择 (7)

2.5 AD/DA的选择 (7)

3 系统的硬件设计 (7)

3.1总体电路框图 (7)

图3-1 系统框图 (8)

3.2系统电路与程序设计 (9)

3.2.1 STC89C52单片机最小系统 (9)

3.2.2 PCF8591模块图如图3-2。 (10)

3.3.3 模块芯片TB6560AHQ原理图如图3-3。 (10)

3.3.4 供电电源 (11)

4系统软件总体设计框图 (13)

5 测试方案与测试结果 (13)

6 总结 (15)

参考文献 (16)

附录 (17)

简易旋转倒立摆及控制装置(C题)

【本科组】

1 设计任务及要求

1.1 设计任务

设计并制作一套简易旋转倒立摆及其控制装置。旋转倒立摆的结构如图1-1 所示。电动机 A 固定在支架 B 上，通过转轴 F 驱动旋转臂 C 旋转。摆杆 E 通过转轴 D 固定在旋转臂 C 的一端，当旋转臂 C 在电动机 A 驱动下作往复旋转运动时，带动摆杆 E 在垂直于旋转臂 C 的平面作自由旋转。

图1-1 旋转倒立摆结构示意图

1.2 基本要求

（1）摆杆从处于自然下垂状态（摆角 0°）开始，驱动电机带动旋转臂作往复旋转使摆杆摆动，并尽快使摆角达到或超过-60°~ +60°；

（2）从摆杆处于自然下垂状态开始，尽快增大摆杆的摆动幅度，直至完成圆周运动；

（3）在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近 165°位置，外力撤除同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于 5s；期间旋转臂的转动角度不大于 90°。

2主控制器件的论证与选择

2.1控制器选用

方案一: 采用ARM,运行速度快,引脚多,内部资源丰富,具有很高的运算速率,但是价格较高,对于初学者,ARM不易掌握.

方案二: 采用STC89C52单片机, 选用STC89C52单片机作为控制核心，它具有8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路,且容易烧录,使用方便。

所以我们选用STC89V52作为主控芯片

2.2控制系统方案选择

方案一：采用在面包板上搭建简易单片机系统

在面包板上搭建单片机系统可以方便的对硬件做随时修改，也易于搭建，但是系统连线较多，不仅相互干扰，使电路杂乱无章，而且系统可靠性低。

方案二：自制单片机印刷电路板

自制印刷电路实现较为困难，实现周期长，此外也会花费较多的时间，影响整体设计进程。

方案三：采用单片机最小系统。

单片机最小系统,能明显减少外围电路的设计，降低系统设计的难度，非常适合本系统的设计。

综上所述，我们选择方案三。

2.3角度的获取模块论证与选择

方案一：采用加速度传感器

加速度传感器采用模拟量输出，需要放大电路及A/D完成角度的测量，测量精度高，但是摆杆上不易安装重物，且不易固定。

方案二：采用增量式光电旋转编码器

光电旋转编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲。旋转编码器具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。但是旋转编码器安装较为不便，增加了系统硬件电路设计的工作量。

方案三：采用电位器作为角度传感器

简易旋转倒立摆系统的角度测量也可采用可变电阻器。精密的可变电阻器具易获得、重复性高、分辨率高、高频响应特性好、易使用等特点。且电位器传感器结构简单，体积小，价格低廉，受环境因素影响小，性能稳定。

综合以上三种方案微调电位器可以很好地达到我们的要求，角度有效范围载33.3度左右，由于本课题精度不高，考虑带经济性和灵活性，我们选择方案三。

2.4步进电机及其驱动模块的选择

方案一：采用直流减速电机，转速较低,反应速度慢,但是驱动模块简单。

方案二：采用型号为57 步进电机，为两相四线步进电机，它的步距角仅为 1.8°，扭矩为0.50N/m，有较高的空载启动频率，在十六细分后能实现0.225°的步距角能够满足本系统的控制要求，驱动电路较复杂，用42/57专用驱动模块TB6560AHQ驱动，能满足要求，而驱动L298N模块功率较小，无法满足要求，易造成失步。

最终选定的步进电机为57步进电机，驱动电路模块选用TB6560AHQ模块。

2.5 AD/DA的选择

方案一：采用ADC0832

ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度慢且稳定性能较差，而且占用I/O口多。

方案二：采用PCF8591

PCF8591具有I2C总线结构的多通道8bits的逐次逼近型ADC和一个内置8bits 单通道ADC，功能多，速度超快，功耗低，单电源供电，串行输入输出，节约I/O口资源，并能在一个处理系统中外接多个PCF8591，能进行更多更强的处理。

综上，从各方面考虑，我们选择方案二。

3 系统的硬件设计

3.1总体电路框图

为了使系统能够实现各种复杂的控制功能，本设计采用一种功能强大的、高速低功耗性价比高的单片机STC89C52完成对其他部分控制。本设计采用SV01A103AEA01R00 旋转角度传感器（旋转电位器）对摆杆的倾斜角度进行数据采集，通过PCF8591 D/A转换芯片将数据送入单片机，单片机通过数据分析控制TB6560AHQ驱动电路，进而控制步进电机使步进机旋转达到设定的位置，用数码管显示A/D的数据。总体框图如图3-1所示。

图3-1 系统框图

3.2系统电路与程序设计

3.2.1 STC89C52单片机最小系统

最小系统包括复位、按键、显示和电源部分，而下载模块用单片机最小系统直接下载，减少了系统的浪费，而且防止连续的拔插单片机。STC89C52单片机最小系统如图3-4所示。

图3-4 最小系统

3.2.2 PCF8591模块图如图3-2。

图3-2 PCF8591模块图3.3.3 模块芯片TB6560AHQ原理图如图3-3。

图3-3 模块芯片TB6560AHQ原理图3.3.4 供电电源

由于需要驱动57步进电机，防止失步，其需要的功率较大，我们采用现有的直流稳压电源直接供电，电源模块的示意图如图3-5。为了达到较好的工作效果，我们选用兆信RXD-302-Ⅱ双路电源供电，具有很好的可靠性和灵活性，电压电流均可调，而且还在带一个5V电压输出端。

图3-5 电源电路

4系统软件总体设计框图

如图4-1所示。

图4-1 总体程序框图

5 测试方案与测试结果

测试结果（S）

这次设计的要求，所设计的系统要有较高的灵敏度和相应的转矩，这两样是最为重要的，我们所设计的系统，不能很好地满足要求，有待进一步改进

6 总结

经过四天三夜的辛勤努力，此次基于单片机为控制核心的简易旋转倒立摆的系统设计终于完成。通过合理的系统构建和软件编程，本系统也未能够完成题目的要求，实现摆杆的旋转及倒立，实际测试表明，所设计系统的稳定性有待改进。但由于时间紧，任务重，系统还有一些功能未能实现，比如摆杆在受到干扰后，能够及时恢复倒立状态。若经过改进，相信性能还会有进一步的提升。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，我们将继续努力争取更大的进步。

参考文献

[1]刘宝延.步进电机及其驱动控制系统[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1972.

[2]周航慈.单片机应用程序设计技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1991.

[3] 郁有文.传感器原理及工程应用[M].西安：西安电子科技大学出版，2008.

[4] 宋戈.51单片机应用开发范例大全[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[5]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2009.

[6] 吴建平.传感器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2009.

[7] 唐继贤.51单片机工程应用实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

附录

第一部分

$NOMOD51

;------------------------------------------------------------------------------

; This file is part of the C51 Compiler package

; Copyright (c) 1988-2002 Keil Elektronik GmbH and Keil Software, Inc.

;------------------------------------------------------------------------------

; STARTUP.A51: This code is executed after processor reset.

;

; To translate this file use A51 with the following invocation:

;

; A51 STARTUP.A51

;

; To link the modified STARTUP.OBJ file to your application use the following ; BL51 invocation:

;

; BL51 , STARTUP.OBJ

;

;------------------------------------------------------------------------------

;

; User-defined Power-On Initialization of Memory

;

; With the following EQU statements the initialization of memory

; at processor reset can be defined:

;

; ; the absolute start-address of IDATA memory is always 0 IDATALEN EQU 80H ; the length of IDATA memory in bytes.

;

XDATASTART EQU 0H ; the absolute start-address of XDATA memory XDATALEN EQU 0H ; the length of XDATA memory in bytes.

;

PDATASTART EQU 0H ; the absolute start-address of PDATA memory PDATALEN EQU 0H ; the length of PDATA memory in bytes.

;

; Notes: The IDATA space overlaps physically the DATA and BIT areas of the ; 8051 CPU. At minimum the memory space occupied from the C51

; run-time routines must be set to zero.

;------------------------------------------------------------------------------

;

; Reentrant Stack Initilization

;

; The following EQU statements define the stack pointer for reentrant

; functions and initialized it:

;

; Stack Space for reentrant functions in the SMALL model.

IBPSTACK EQU 0 ; set to 1 if small reentrant is used. IBPSTACKTOP EQU 0FFH+1 ; set top of stack to highest location+1.

;

; Stack Space for reentrant functions in the LARGE model.

XBPSTACK EQU 0 ; set to 1 if large reentrant is used. XBPSTACKTOP EQU 0FFFFH+1; set top of stack to highest location+1.

;

; Stack Space for reentrant functions in the COMPACT model.

PBPSTACK EQU 0 ; set to 1 if compact reentrant is used. PBPSTACKTOP EQU 0FFFFH+1; set top of stack to highest location+1.

;

;------------------------------------------------------------------------------

;

; Page Definition for Using the Compact Model with 64 KByte xdata RAM

;

; The following EQU statements define the xdata page used for pdata

; variables. The EQU PPAGE must conform with the PPAGE control used

; in the linker invocation.

;

PPAGEENABLE EQU 0 ; set to 1 if pdata object are used.

;

PPAGE EQU 0 ; define PPAGE number.

;

PPAGE_SFR DATA 0A0H ; SFR that supplies uppermost address byte

; (most 8051 variants use P2 as uppermost address byte)

;

;------------------------------------------------------------------------------

; Standard SFR Symbols

ACC DATA 0E0H

B DATA 0F0H

SP DATA 81H

DPL DATA 82H

DPH DATA 83H

NAME ?C_STARTUP

?C_C51STARTUP SEGMENT CODE

?STACK SEGMENT IDATA

RSEG ?STACK

DS 1

EXTRN CODE (?C_START)

PUBLIC ?C_STARTUP

CSEG AT 0

?C_STARTUP: LJMP STARTUP1

RSEG ?C_C51STARTUP

STARTUP1:

IF IDATALEN <> 0

MOV R0,#IDATALEN - 1

CLR A

IDATALOOP: MOV @R0,A

DJNZ R0,IDATALOOP

ENDIF

IF XDATALEN <> 0

MOV DPTR,#XDATASTART

MOV R7,#LOW (XDATALEN)

IF (LOW (XDATALEN)) <> 0

MOV R6,#(HIGH (XDATALEN)) +1 ELSE

MOV R6,#HIGH (XDATALEN)

ENDIF

CLR A

XDATALOOP: MOVX @DPTR,A

INC DPTR

DJNZ R7,XDATALOOP

DJNZ R6,XDATALOOP

ENDIF

IF PPAGEENABLE <> 0

MOV PPAGE_SFR,#PPAGE

ENDIF

IF PDATALEN <> 0

MOV R0,#LOW (PDATASTART)

MOV R7,#LOW (PDATALEN)

CLR A

PDATALOOP: MOVX @R0,A

INC R0

DJNZ R7,PDATALOOP

ENDIF

IF IBPSTACK <> 0

EXTRN DATA (?C_IBP)

MOV ?C_IBP,#LOW IBPSTACKTOP

ENDIF

IF XBPSTACK <> 0

EXTRN DATA (?C_XBP)

MOV ?C_XBP,#HIGH XBPSTACKTOP

MOV ?C_XBP+1,#LOW XBPSTACKTOP

ENDIF

IF PBPSTACK <> 0

EXTRN DATA (?C_PBP)

MOV ?C_PBP,#LOW PBPSTACKTOP

ENDIF

MOV SP,#?STACK-1

; This code is required if you use L51_BANK.A51 with Banking Mode 4

; EXTRN CODE (?B_SWITCH0)

; CALL ?B_SWITCH0 ; init bank mechanism to code bank 0

LJMP ?C_START

END

第二部分

/*****************************************************************************

*****

* 标题: ************* DA-AD试验******************* *

*

/******************************主程序*****************************************************/

#include

#include

#define PCF8591 0x90 //PCF8591 地址

//else IO

sbit LS138A=P2^2;

sbit LS138B=P2^3;

sbit LS138C=P2^4;

sbit first=P2^5; //按键1 模式1选择

sbit second=P2^6; //按键2 模式2选择

sbit third=P2^7; //按键3 模式3选择

sbit fouth=P3^0; //按键4 模式4选择

sbit fith=P3^1; //按键5 模式清零选择

sbit shi_neng=P1^0; // 使能控制位

sbit fang_xiang=P1^1;// 旋转方向控制位

sbit mai_chong=P1^2; // 脉冲控制位

//此表为 LED 的字模, 共阴数码管 0-9 -

unsigned char code Disp_Tab[] = {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};

unsigned char AD_CHANNEL;

unsigned long xdata LedOut[8];

signed int D[32];

unsigned int ad=0,ad0=0;

unsigned int ms15=0;

unsigned char i=0,a=0,b=0,c=0,e=0;

unsigned char xiang;

signed char n=0;

unsigned int xx();

void round();

void system()

{

TMOD=0x01;

TH0=(65535-2000)/256;

TL0=(65535-2000)%256;

IE=0x8a;

IT0=0;

TR0=1;

}