简易旋转倒立摆及控制装置(C))

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）

2013年9月7日 I

摘 要 本设计以16位的MC9S12XS128单片机为系统控制核心，MMA7361加速传感器，ENC-03角速度传感器，组成了一个较为完善的倒立摆控制系统。MMA7361可以根据运动和方向改变输出信号的电压值，单片机A/D转换器读取其输出信号，可以检测其运动和方向；而ENC-03是一种应用科氏力原理的角速度传感器，输出模拟电压信号与角速度成正比，单片机通过此电压信号来检测摆杆角速度。通过软件编程控制使倒立摆稳定达到题目要求状态。

关键词：倒立摆，单片机，直流电机，加速传感器和角速度传感器 This design with 16 MC9S12XS128 single-chip microcomputer as the system control core, MMA7361 acceleration sensor, ENC - 03 angular velocity sensor, formed a relatively perfect inverted pendulum control system. MMA7361 can according to the direction of movement and change the voltage output signal, single chip A/D converter to read its output signal, can detect the movement and direction; And ENC - 03 is an application of coriolis force principle of the angular velocity sensor, the output analog voltage signal is proportional to the angular velocity, the microcontroller through the voltage signal to detect swinging rod angular velocity. Through software programming to control the inverted pendulum stable state meet the subject requirements.

Key words: inverted pendulum,single-chip microcomputer, MMA7361,ENC-03 2

目录 1系统方案.........................................................3 1.1单片机的选择.................................................3 1.2传感器的选择.................................................3 1.3电机的选择...................................................3 2系统理论分析与计算...............................................3 3电路与程序设计...................................................4 3.1系统框图...................................................4 3.2系统硬件电路...............................................4 3.2.1单片机最小系统.......................................4 3.2.2陀螺仪...............................................5 3.3软件程序设计...............................................6 3.3.1程序功能描述.........................................6 3.3.2主程序流程图.........................................6 4 测试方案与结果..................................................7 4.1软件硬件联调..............................................7 4.2测试结果..................................................7 5 参考文献........................................................8 附录.......................................................................................................................9 3

1系统方案 1.1单片机的选择 方案1：采用51单片机作为控制器，A/D转换器读取传感器输出电压信号，并转换成角度信号来控制电机。51单片机价格便宜，应用广泛，简单实用，市场需求大；但接口少，使用时需扩展，运算处理速度不高，功耗高，且在本系统中还要加A/D采集。

方案2：采用16位的MC9S12XS128单片机作为系统控制器，通过将角度传感器输出的模拟电压信号转换成控制信号，来控制电机使摆杆按要求运动。MC9S12XS128是一款针对汽车电子的高性能16位单片机，速度快，功能强，成本低，功耗低。总线速度高达40MHz,可配置8位，10位或12位ADC,3µs的转换时间，8通道PWM，易于实现电机控制。 经过综合考虑，我们选择方案二MC9S12XS128单片机。

1.2 传感器的选择

方案一：用水平传感器检测摆杆转角。MMA7361加速度传感器是检测物件运动和方向的传感器，它根据物件运动和方向改变输出信号的电压值。将采集到的电压信号转换成角度信号，就可控制电机以控制摆杆。 方案二：用电阻式角度传感器检测摆杆角度。电阻式角度传感器模拟信号输出，所以用它测角度变化不明显，灵敏度不高，电压干扰大。 经过讨论，我们决定使用现有的芯片MMA7361，采取方案一。

1.3 电机的选择

方案一：采用舵机。控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。控制信号是一个周期在20ms左右，宽为1-2ms.角度控制脉冲更改太快，舵机反应不过来，不易精确控制。 方案二：采用直流 电机。其中直流电机使用方便，价格便宜，平滑方便，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；调整范围广、过载能力强，直流电机用于调速控制时比较完善。 综合以上两种方案，我们选择方案二。

2系统理论分析 倒立摆是一个复杂的快速，非线性，多变量，强耦合，自然不稳定非最小相位系统。是重心在上支点在下控制问题的抽象。在对倒立摆的控制研究中，往往因为找不到合适的研究对象，而不能对研究成果做进一步的深入研究。 按照题目要求，摆杆在运动过程中涉及到平衡位置的确定和摆杆的角度，摆动的幅度等问题，因此，我们在摆杆上固定加速度计和陀螺仪，二则结合使用， 4

实时的根据摆杆的运动和方向，输出模拟电压信号，经过单片机的分析控制，通过控制电机是摆杆状态达到要求。

3电路与程序设计

3.1 系统框图如3-1所示： 开始

初始化

传感器检测MC9S12XS128电机驱动直流电机摆杆摆动结束 图3-1 系统框图

3.2系统硬件电路 3.2.1 单片机最小系统：MC9S12XS128是一款针对汽车电子市场的高性能16位单片机。总线速度高达40MHz,可配置8位，10位或12位ADC,3µs的转换时间，4通道16位计数器，8通道PWM，易于实现电机控制。具有速度快，功能强，成本低，功耗低的特点。单片机最小系统如图3-2所示。 5

图3-2 单片机最小系统 3.2.2 陀螺仪ENC -03电路：ENC-03是一种应用科氏力原理的角速度传感器，输出模拟电压信号与角速度成正比。能够测量包含旋转的各种运动，供电电压为2.7-5.25V，角速度为零时输出1.35V。具有特别小的体积和重量，响应快，驱动电压和功耗低的特点。电路图如图3-3所示。

图3-3 ENC-03电路 6

3.3：软件程序设计 3.3.1 程序功能描述 根据系统控制过程及要求，编写程序代码。软件实现的功能如下： 1，摆杆从自然下垂开始，电机驱动旋转臂往复旋转使摆杆摆动并尽快超过—60~+60度。 2，摆杆从自然下垂开始，尽量增大摆杆摆动幅度，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度位置，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度。程序见附录。

3.3.2主程序流程图：

开始

初始化写命令字传感器检测并分析单片机控制电机驱动摆杆摆动结束 图 3-4 主程序流程图

4测试方案与测试结果 4.1 硬件软件联调