简易旋转倒立摆及控制装置
全国电子设计大赛题目简易旋转倒立摆及控制装置C题
2013 年全国大学生电子设计竞赛试题参赛注意事项（1）9 月4 日8:00 竞赛正式开始。
本科组参赛队只能在【本科组】题目中任选一题；高职高专组参赛队在【高职高专组】题目中任选一题，也可以选择【本科组】题目。
（2）参赛队认真填写《登记表》内容，填写好的《登记表》交赛场巡视员暂时保存。
（3）参赛者必须是有正式学籍的全日制在校本、专科学生，应出示能够证明参赛者学生身份的有效证件（如学生证）随时备查。
（4）每队严格限制3 人，开赛后不得中途更换队员。
（5）竞赛期间，可使用各种图书资料和网络资源，但不得在学校指定竞赛场地外进行设计制作，不得以任何方式与他人交流，包括教师在内的非参赛队员必须回避，对违纪参赛队取消评审资格。
（6）9 月7 日20:00 竞赛结束，上交设计报告、制作实物及《登记表》，由专人封存。
简易旋转倒立摆及控制装置（C 题）【本科组】一、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 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。
二、要求图1 旋转倒立摆结构示意图1．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．发挥部分（1）从摆杆处于自然下垂状态开始，控制旋转臂作往复旋转运动，尽快使摆杆摆起倒立，保持倒立状态时间不少于10s；（2）在摆杆保持倒立状态下，施加干扰后摆杆能继续保持倒立或2s 内恢复倒立状态；（3）在摆杆保持倒立状态的前提下，旋转臂作圆周运动，并尽快使单方向转过角度达到或超过360°；（4）其他。
简易旋转倒立摆及控制装置
简易旋转倒立摆及控制装置设计报告及总结摘要倒立摆系统机理的研究不仅具有重要的理论价值，而且具有重要的现实意义，是控制类中经久不衰的经典题型。
本题中，简易旋转倒立摆，在C8051F040单片机的基础上，使用ZGB42FM直流减速电机，BTN7971B电机驱动，可变电阻（角度传感器），机械摆杆等模块。
通过编写、烧入程序，调控硬件协调工作，使摆杆首先实现一定角度的转动，再完成圆周运动，以及保持竖直向上的倒立状态。
用以满足题目的基本要求,进而深一步探究倒立摆在保持运动姿态方面的发展与应用。
关键字：单片机，倒立摆，摆杆，可变电阻。
引言：本题整体上只由一个电机A 提供动力，电机直接控制旋转臂C 做往复旋转运动，而通过转轴D 连接在旋臂C 上的摆杆E 是非常灵活的。
旋臂C 转动一定角度时，摆杆E 由于向心力会使摆杆E 继续向上旋转，以达到E 杆转动一个角度的效果。
相似，当C 的转动速度比较快，停下后，E 下端处的速度和向心力都比较大，能够使E 杆完成圆周运动。
为了使摆杆能够倒立，就要求摆杆转动到上半圆周面时，要通过单片机控制电机A 不断的调整使旋转臂C 转动多个角度，尽量的使摆杆E 与竖直面的角度变小，并能够受力平衡，这样就可以保持一段时间的倒立状态。
为达到角度的调整，就要测量出E 杆与竖直面间的角度差，经过单片机的控制，使电机A 做出相应的旋转动作，减小这个角度差。
1、方案设计与讨论： 1.1结构框图1.2方案论证： 1.21控制器模块本题，单片机只要接收来自传感器的信号，向电机驱动输入信号处理后计算出的高低电平即可。
方案一：用ATMEL 公司生产的AT89S52单片机，低功耗，高性能CMOS 8位处理器，使用广泛,算法较为简单，但是在执行复杂动作时，处理速度不够高。
方案二:用宏晶公司生产的STC89C52RC 单片机，STC 的单片机性能与ATMEL 的单片机相似，但是价格相对便宜。
缺点是易受潮湿影响，在调用子程序是频繁出错。
福建农林大学学生参加省级以上各类竞赛奖励汇总表-福建农林大学教务处
全国大学生电子设计竞赛
赵晨
讲师
525
21
张翠云
机电工程学院
讲师
手写绘图板
省二等奖
525
吴碧致、黄蕾、陈福恩
全国大学生电子设计竞赛
林寿英
副教授
975
22
吴锤红
机电工程学院
教授
简易旋转倒立摆及控制装置
省三等奖
650
徐学燊、方斌、郑滨滨
全国大学生电子设计竞赛
赵晨
讲师
350
23
陈学永
机电工程学院
35
刘必雄
计算机与信息学院
讲师
参加现场程序设计
省三等奖
1000
陈志灵
第四届“蓝桥杯”全国软件专业人才设计与创业大赛(福建赛区)
36
刘必雄
计算机与信息学院
讲师
参加现场程序设计
省三等奖
1000
陈龙辉
第四届“蓝桥杯”全国软件专业人才设计与创业大赛(福建赛区)
37
刘必雄
计算机与信息学院
讲师
参加现场程序设计
省二等奖
教授
简易旋转倒立摆及控制装置
全国二等奖
6500
徐凯、汪晓东、林烟泽
全国大学生电子设计竞赛
卢玉宇
高级实验师
3500
19
吴锤红
机电工程学院
教授
简易旋转倒立摆及控制装置
全国二等奖
6500
苏剑辉、蔡国顺、周云飞
全国大学生电子设计竞赛
赵晨
讲师
3500
20
吴锤红
机电工程学院
教授
简易旋转倒立摆及控制装置
省二等奖
实践项目4：简易旋转倒立摆及控制装置设计
实践项目4：简易旋转倒立摆及控制装置设计一系统方案论证根据设计要求，我们对系统方案进行了详细的比较论证，具体如下：1 执行电机选择方案一：选择步进电机。
步进电机易于与其他设备接口，运行过程中精度没有累计误差，而且步进电机是通过脉冲数来控制步数，所以定位比较精准，但反应速度却不是特别快。
方案二：选择直流电机。
直流电机虽然定位不及步进电机精准，但速度、加速度都很容易控制，且速度反应非常快。
综合考虑倒立摆的控制要求，我们认为对速度的控制及速度反应的快慢是关键因素，因此，选择直流电机作为执行电机，其驱动采用L298N实现。
2 传感器选择传感器作为检测系统的信息反馈通道，其性能好坏对于整个系统的稳定性具有重要的意义，本次设计中需要不断调整旋转臂的速度（或加速度）及摆杆的角度，所以应该选用能测量速度及角度的传感器。
（1）速度检测速度检测我们一致认为选择旋转编码器即可，当然，旋转编码器的种类很多，比较几类编码器的性能，我们选择了YZ40D系列的YZ40D-6S-2NA型旋转编码器，该类编码器属于增量式编码器，工作电压为5V，输出方式为集电极开路方式，最高转速可达5000rpm。
其分辨率高，体积小，便于安装调试，耐振动及耐冲击能力均比较好。
（2）角度检测设计最初，我们选用角芬兰VTI公司的单轴倾角传感器SCA60C-N1000060来实现，但在调试过程中，发现反应速度不够快，接线多，调试起来很不方便。
经讨论后，我们最后决定依然选择旋转编码器来检测角度，对比各方面性能，我们选择了上海隽立自动化设备有限公司的E6B2-C型旋转编码器，工作电压为5V，精度也比较高。
3 控制方案的选择（1）控制形式选择方案一：采用最简单的单闭环控制，检测摆杆摆动的角度，将信号送至单片机经相应算法得到PWM信号及方向信号送至电机驱动电路驱使电机运转并进行速度调节。
方案二：采用双闭环控制，一方面检测摆杆摆动的角度，一方面检测电机的速度，角度反馈用以调节摆杆的实际摆位，速度反馈用以调节旋转臂的加速度。
2013电赛报告
2013年全国大学生电子设计竞赛设计报告题目名称：简易旋转倒立摆及控制装置【本科组C题】参赛队号：201302092013年9月7日2013年“瑞萨杯”全国大学生电子设计竞赛摘要：本系统以STC12C5A60S2单片机最小系统为核心，辅以角度传感器、姿态传感器、开关控制电路、LCD1602显示、电机驱动电路等组成。
该设计利用PWM 调制来控制旋转臂转速的变化，通过角度传感器和姿态传感器检测摆杆角度偏转信号，并将检测到的数值A/D转换后送入调速系统，经LCD1602显示屏进行显示。
也可通过拨码开关控制旋转臂的转速，从而改变摆杆的状态。
该系统实现了通过操作拨码开关控制旋转臂转速的大小，使摆杆状态按要求变化。
关键词：单片机最小系统角位移传感器 A/D转换2013年“瑞萨杯”全国大学生电子设计竞赛目录1.作品简介 (1)2.系统方案论证和比较 (1)2.1系统方案整体实验框图 (1)2.2方案论证与比较 (1)2.1.1输入模块选择 (1)2.1.2调制方式的选择 (2)2.1.3角度传感器的选择 (2)2.1.4显示系统的选择 (2)2.3理论分析与参数计算 (2)2.3.1控制电路 (2)2.3.2角度测量原理与控制算法 (3)3.电路与程序设计 (3)3.1硬件设计 (3)3.1.1角度传感器的设计 (3)3.2软件设计 (3)3.1.1软件主程序流程图 (3)3.1.2程序算法理论分析 (4)4.系统调试与结果分析 (5)4.1系统调试的方法与仪器 (5)4.2系统电路的调试 (5)4.2.1电机的性能测试 (5)4.2.2角度传感器的性能测试 (5)4.3注意事项及解决方案 (6)4.4调试结果分析与总结 (6)5．实验结果的分析与总结 (6)6．参考文献 (6)附录一：部分电路原理图 (1)附录二：程序源代码 (4)1.作品简介本次设计作品以单片机最小系统和角度传感器、姿态传感器为制作核心，同时运用A/D模数转换，PWM调制旋转臂转速、LED声光显示，拨码开关控制等,从摆杆方向上的角位移传感器接收到摆杆角度偏转的信号，经A/D模数转换后，LED显示器进行声光显示。
2013简易旋转倒立摆
本方案采用单回路PID控制方案，选取摆杆角度作为反馈信号，此方案间接对摆杆进行控制，系统结构框图如下图所示。
[7]《单片机原理及应用》，李建忠著，西安：西安电子科技大学，2002年；
附录
一．元器件及材料清单
1
单片机最小系统
2
L298N驱动模块
3
ADXL345角度传感器
4
旋转臂
5
摆杆
6
木板支架结构
二．主要程序
#include <REG51.H>
#include <math.h> //Keil library
硬件电路部分主要由单片机控制模块、电机驱动模块、角度传感器检测模块、电源模块等部分组成，系统原理图如下图所示：
3.1.1 单片机最小系统电路图
图10单片机最小系统图
3.1.2 L298N电机驱动模块电路图
图11电机驱动图
3.1.3 角度传感器
图12角度传感器
角度传感器测得X、Y轴方向的重力加速度，通过IIC通信将信号输入单片机，单片机合成数据，得到X、Y轴方向加速度的值，从而计算得出角度值，然后利用屏幕将角度值实时显示出来。
/*********************电机驱动管脚定义****************************/
sbit en=P1^0;
sbit s1=P1^1;
sbit s2=P1^2;
倒立摆原理
倒立摆原理倒立摆是一种经典的控制系统理论实验装置，它由一个竖直支架和一个可以绕水平轴自由旋转的杆组成。
倒立摆系统具有不稳定性，即当杆子竖直时，只要有微小的干扰，它就会失去平衡。
然而，通过适当的控制方法，我们可以使倒立摆保持在竖直位置上。
这种控制方法的研究对于理解控制系统的稳定性和鲁棒性具有重要意义，也在工程实践中有着广泛的应用。
倒立摆系统的原理可以用控制理论来描述。
在倒立摆系统中，我们可以将竖直位置作为系统的平衡点，而杆子偏离竖直位置的角度则成为系统的状态变量。
控制系统的目标就是通过对杆子施加力或扭矩，使得杆子的角度保持在竖直位置附近，即实现对系统状态的控制。
为了实现这一目标，我们可以利用传统的PID控制器，也可以采用现代控制理论中的状态反馈控制、模糊控制、神经网络控制等方法。
在控制倒立摆系统时，我们需要考虑到系统的动力学特性。
倒立摆系统的动力学方程通常可以通过拉格朗日方程或牛顿-欧拉方程来建立。
通过对系统的动力学特性进行分析，我们可以得到系统的传递函数或状态空间方程，从而为控制器的设计提供基础。
在实际应用中，我们还需要考虑到传感器的噪声、执行器的非线性特性、外部扰动等因素对系统性能的影响，这些因素都需要在控制器设计中进行考虑。
除了传统的控制方法外，现代控制理论中还提出了许多新颖的控制方法，例如模糊控制和神经网络控制。
这些方法可以更好地适应非线性、时变系统，并且具有较强的鲁棒性。
在倒立摆系统中，这些新颖的控制方法也得到了广泛的应用，并取得了良好的控制效果。
总的来说，倒立摆系统作为经典的控制理论实验装置，具有重要的理论研究和工程应用价值。
通过对倒立摆系统的研究，我们可以更好地理解控制系统的稳定性和鲁棒性，为工程实践中的控制问题提供解决思路。
同时，倒立摆系统也为新型控制方法的研究和应用提供了一个重要的平台。
相信随着控制理论和技术的不断发展，倒立摆系统将会在更多领域展现其重要的作用。
固高科技《倒立摆与自动控制原理实验》
©Googol 2005
III
内容简介
这是一本为工科自动化和机电一体化的专科、本科以及研究生编写的实验教 科书，可以作为控制领域各门控制课程的配套实验教材，本书的主要内容包括经 典控制理论的部分实验内容和现代控制理论的部分实验内容，经典控制理论内容 包括实际系统模型的建立、根轨迹分析和控制器设计、频率响应分析、PID 控制 分析等内容，现代控制理论内容主要包括状态空间极点配置和线性最优控制 LQR 方法，本书实验内容主要基于固高科技倒立摆完成。
Googol Technology
倒立摆与 自动控制原理实验 V2.0
©Googol 2005
固高科技（深圳）有限公司
二○○五年
1
固高科技（深圳）有限公司 GOOGOL TECHNOLOGY (SHENZHEN) LTD
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固高科技有限公司（以下简称固高科技）具有本产品及其软件的专利权、版 权和其它知识产权。未经授权，不得直接或间接的复制、制造、加工、使用本产 品及相关部分。
直线倒立摆系统 GLIP 系列包含《直线倒立摆系统 GLIP 系列安装与使用手册》 和《倒立摆与自动控制原理实验》。
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2013全国大学生电子设计竞赛论文题目:简易旋转倒立摆及控制装置论文编号：072C003参赛学校：青岛工学院参赛学生：联系方式指导教师：二○一三年九月简易旋转倒立摆及控制装置摘要：本设计采用TI公司生产的LM3S1138单片机为倒立摆控制系统的核心，配合角度测量模块、直流伺服电机执行模块、LMD18200电机驱动模块、中英双文液晶显示模块、按键功能选择模块，不仅实现了对摆杆角度的调整和控制，而且也完成了保持摆杆倒立不少于10s与摆杆在倒立状态下，旋转臂做圆周运动的要求。
旋转过程中，角度传感器实时检测并反馈角度信号给单片机；单片机通过对信号的处理，使电机在驱动模块的作用下，运用PID算法进行摆杆角度的闭环控制。
另外，为了使系统具有很好的人机交互界面，系统增加了液晶实时显示摆杆角度与语音提示功能。
经测试，基本要求全部完成，发挥部分也成功实现。
关键词：LM3S1138单片机；直流伺服电机；角度传感器；PID算法目录1 系统方案 (1)1.1 方案比较与选择 (1)1.1.1 倒立摆的核心控制 (1)1.1.2 倒立摆的角度检测 (1)1.2 总体方案与系统结构框图 (1)2 理论分析与计算 (2)2.1 电机型号的选择 (2)2.2 摆杆状态的检测与调节 (2)2.3 倒立摆控制策略 (3)3 电路与程序设计 (4)3.1 电路设计 (4)3.1.1 LMD18200电机驱动电路 (4)3.1.2 角度检测电路 (4)3.1.3 数据显示与功能设置 (5)3.2 程序结构与设计 (5)4 测试方案与测试结果 (5)4.1 测试仪器 (5)4.2 测试方法及结果 (5)4.2.1 基础部分 (5)4.2.2 发挥部分 (6)4.3 结论 (6)5 总结 (6)参考文献 (7)附录 (7)1系统方案1.1方案比较与选择1.1.1倒立摆的核心控制方案一：采用AT89C52单片机。
该单片机优点是成本低，运用比较广泛。
但该单片机能够使用的片内外设资源有限，接口也不能满足需要个数，需要增加较多的外围电路，且功耗大、处理速度慢。
方案二：采用TI公司生产的LM3S1138单片机。
该单片机内设资源非常丰富。
速度快、成本低、功耗小，可以处理相对较多的外部中断；具有PWM波输出功能，并且还有多个GPIO和多个A/D转换端口。
综上考虑到LM3S1138丰富的内置和外设资源，可处理多个外部中断，同时能输出PWM波和具有多个A/D转换端口，其比AT89C52更符合倒立摆复杂的控制系统，因此选择方案二。
1.1.2倒立摆的角度检测方案一：采用水银开关。
水银开关价格便宜，原理简单，但输出开关量不能线性调整，易受震荡干扰。
方案二：采用加速度传感器。
可通过其内部的电容器变化测量出当前的加速度。
但其精度较差，分辨率较低，且在运动系统中易受干扰。
方案三：采用导电塑料角位移传感器WDS35D4。
其测量范围为0°-360°，输出电压范围与输入电压有关，输出精度为1mv，测量精度为0.1度，线性度高，稳定性好，灵敏度高，可以实现对角位移的精确测量。
综合考虑，系统对摆杆的测量需要较高的线性度、灵敏度和精确度，因此选择方案三。
1.2总体方案与系统结构框图系统由LM3S1138单片机控制模块、角度测量模块、直流伺服电机执行模块、LMD18200电机驱动模块、中英双文液晶显示模块、按键功能选择模块六部分组成。
旋转臂在转动过程中，角度传感器实时监测摆杆的角度信号并反馈给单片机；单片机通过对信号的处理，使电机进行摆杆角度的闭环控制。
系统结构框图如图1所示：L M 3 S 1 1 3 8单 片机图1 系统结构框图2 理论分析与计算2.1 电机型号的选择当旋转臂转动时，旋转臂一端安装着角位移传感器和摆杆，其质量不可忽略。
若要使摆杆从零度状态变成竖立状态，需克服摆杆和角度传感器产生的惯性矩2M ，从而使电机急停或回转。
电机旋转状态分析如图2所示：角位移传感器图2 电机旋转状态图根据公式：{}{}{}min195492KWN Mr P M M n •=≥ (1-1)其中P 是电机功率，n 是电机转速，1M 为电机正常工作时输出的转矩，2M 为角位移传感器和摆杆产生的惯性矩。
由（1-1）式可知：转速一定情况下，选择的电机，功率越大越好。
步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移的精密执行元件，可实现物体的精确定位和方向的控制。
通过实物模拟实验，步进电机响应慢，存在失步问题，控制复杂，转速低、噪声大，运动不平滑，存在谐振现象，不能满足系统要求。
直流伺服电机体积小，重量轻，响应快，转速高，运转平稳，效率高，噪音小，自带编码器，控制精度高。
通过实物模拟实验，直流伺服电机输出的堵转扭矩为0.45NM ，连续扭矩为0.1NM ，且节能，运行平稳，响应快和速度高等特点符合倒立摆系统快速反应与精确控制的特点，因此选用直流伺服电机。
2.2 摆杆状态的检测与调节由于倒立摆是自不稳定的系统。
若要保持摆杆稳定倒立，则角位移传感器需实时检测摆杆偏离垂线的角度，并通过电机带动旋转臂的旋转来调节摆杆的偏移角度。
倒立过程中，摆杆受力分析如图3所示，若要使摆杆保持平衡必须使力f 和力N 的合力H 与摆杆的重力G 大小相等,方向相反。
若摆杆偏离垂线向右，则电机会带动旋转臂逆时针旋转，通过增大力f 的方式来减小摆杆向右偏移角度；当摆杆偏离垂线向左时，则电机带动旋转臂顺时针旋转，也是通过增大力f 以求减小左偏移量，摆杆逆时针和顺时针旋转状态如图4所示。
通过电机不断的往复调节，最终实现摆杆稳定倒立的要求。
角位移传感角位移传感Nf图3 摆杆受力分析图 图4 摆杆状态简化模型图2.3 倒立摆控制策略针对本系统中角度传感器采样较慢，控制对象伺服电机滑动模块惯性大、滞后大的特点，系统选用了位置式按角度偏差的比例、积分、微分进行控制，即增量式数字PID 控制。
由于单片机是一种采样控制，它只能根据采样时刻的角度偏差或速度偏差计算控制量。
但是如果采样周期T 取得足够小，采用数值计算的方法逼近可相当准确，被控过程与连续控制十分接近。
离散化后的PID 算式为：100()idi i j i i j iT Tu K e e e e u T T -=⎡⎤=++-+⎢⎥⎣⎦∑ (2-1) 式中K 为比例系数，0u 为偏差是零时的控制作用，i T 为积分时间，d T 为微分时间，T 为采样时间。
(3-1)式称为位置式算法。
由它可推出增量式算法：112(2)d i i i i i i i i T Tu K e e e e e e T T ---⎡⎤=-++-+⎢⎥⎣⎦ (2-2)由于增量式算法只需保持以前三个时刻的偏差即可，既节省了资源又不会产生较大的误差。
这种控制方式可以加快系统阶跃响应、减小超调量，并具有较高精度。
式中各系数有反复实验后确定。
角度、速度PID参数实验数据如表1所示：表 1 角度、速度PID控制参数实验表参数值K0.30.70.9 1.2 1.7 2.0 2.4Ti 15ms17.5ms11.2ms12ms9.3ms9.1ms8msTd 1ms 2.1ms 2.8ms 2.9ms 2.6ms 2.7ms 2.7ms 维持时间5S10S50S150S40S20S10S现象不稳定不稳定稍稳定稳定稍稳定不稳定不稳定从表1可知当系统参数K=1.2，Ti=12ms，Td=2.9ms时系统表现最优，故选定此组数值，作为最终参数值。
3电路与程序设计3.1电路设计3.1.1LMD18200电机驱动电路LMD18200内部集成了四个DMOS管，组成一个标准的H型驱动桥。
通过充电泵电路为上桥臂的两个开关提供栅极控制电压。
引脚2、10接直流电机电枢，正转时电流的方向应该从引脚2到引脚10；反转时电流的方向应该从引脚10到引脚2。
LMD18200内部保护电路设置的过电流阀值为10A，当超过该值时会自动封锁输出，并周期性的自动恢复输出。
另外引脚9还可以输出过热信号，当结温达到145度时引脚9有输出信号。
LMD18200电路如图5所示：图5 LMD18200电路图3.1.2角度检测电路系统选择单圈10K精密电位器，它具有线性度好、易于调整阻值、可在0-360°范围内周而复始的旋转。
电位器旋转到每一角度对应一定的阻值，电位器接基准电压，通过单片机的A/D转换为角度值。
电位器角度检测电路如图6所示：图6 WDS35D4电路图3.1.3数据显示与功能设置系统采用了TS12864A-3液晶显示模块，该模块内置了汉字字库，有串行和并行两种接口方式，能实时显示摆杆转角度数、温度、日期、当前操作内容和已完成任务。
为了节省引脚，本设计采用了串行接口方式。
LCD12864和单片机串行模式连接如附录图二所示。
为了有条理的完成各项任务，系统采用按键功能选择的方法，使单片机进入不同的工作模式。
按键电路如附录图三所示。
3.2程序结构与设计通过控制旋转臂的转速与方向来完成摆杆摆动与竖立的要求。
摆杆摆动过程中，运用了PID增量控制算法，角度传感实时检测并反馈角度信号给单片机，单片机通过处理角度信号，使电机在驱动模块的作用下转过一定角度，从而完成赛题要求。
程序执行过程中，通过按键的方式使单片机进入不同的工作模式，从而完成不同的任务。
主程序如图7，按键选择程序如图8所示，PID参数调整程序如附录图四所示。
图7 主程序框图图8 按键选择程序框图4测试方案与测试结果4.1测试仪器34401A六位半数字万用表、秒表、量角器、CA18303D直流稳压恒流电源。
4.2测试方法及结果4.2.1基础部分旋转臂带动摆杆从自然下垂状态开始往复摆动，根据题目要求分别测试摆杆最大摆角；能否完成圆周运动；在摆杆倒立时，摆杆倒立维持的时间与旋转臂转动角度。
测量数据如表2所示：4.2.2发挥部分旋转臂带动摆杆从自然下垂状态开始往复运动，期间根据题目要求使摆杆自行倒立并记录维持倒立状态的时间；摆杆保持倒立状态下，施加干扰后记录摆杆恢复倒立所需的时间；摆杆保持倒立状态下，使旋转臂单方向旋转，记录旋转角度。
测量数据如表3所示：表3 发挥部分测试结果4.3结论根据上述测试数据和实际观察，系统完全达到了设计要求。
在基础部分不仅实现了摆杆摆角的要求与摆杆的圆周运动，而且摆杆倒立维持的时间远远超过题目要求；发挥部分在规定时间内实现了摆杆倒立、干扰恢复与旋转臂旋转的要求。
实验结果证明，系统非常稳定。
5总结采用TI公司生产的LM3S1138单片机为核心的倒立摆控制系统，配合其他功能模块，不仅在基础部分实现了对摆杆角度的调整和控制，而且在发挥部分也出色的完成了保持摆杆倒立不少于10S与摆杆在倒立状态下，旋转臂做圆周运动的要求。
测试结果表明系统稳定，具有较高的控制精度，抗干扰能力强。