全国电子设计大赛报告一等奖.docx

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1、全国电子设计大赛报告一等奖 2022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） 摘要： 通过对该测控系统结构和特点的分析，结合现代控制技术设计理念实现了以微控制器MC9S12XS128系列单片机为核心的旋转倒立摆控制系统。通过采集的角度值与平衡位置进行比较，使用PD算法，从而达到控制电机的目的。其工作过程为：角位移传感器WDS35D通过对摆杆摆动过程中的信号采集然后经过A/D 采样后反馈给主控制器。控制器根据角度传感器反馈信号进行PID数据处理，从而对电机的转动做出调整，进行可靠的闭环控制，使用按键调节P、D的值，同时由显示模块显示当前的P、D值。 关键字： 倒立摆、直流电机、

2、MC9S12XS128单片机、角位移传感器WDS35D、PD算法 目录 一、设计任务与要求 (3) 1 设计任务 (3) 2 设计要求 (3) 二系统方案 (4) 1 系统结构 (4) 2 方案比较与选择 (4) （1）角度传感器方案比较与选择 (4) （2）驱动器方案比较与选择 (5) 三理论分析与计算 (5) 1 电机的选型 (5) 2 摆杆状态检测 (5) 3 驱动与控制算法 (5) 四电路与程序设计 (6) 1 电路设计 (6) （1）最小系统模块电路 (6) （2）5110显示模块电路设计 (7) （3）电机驱动模块电路设计 (8) （4）角位移传感器模块电路设计 (8) （5）电源

3、稳压模块设计 (8) 2 程序结构与设计 (9) 五系统测试与误差分析 (10) 5.1 测试方案 (10) 5.2 测试使用仪器 (10) 5.3 测试结果与误差分析 (10) 6 结论 (11) 参考文献 (11) 附录1 程序清单（部分） (12) 附录2 主板电路图 (15) 附录3 主要元器件清单 (16) 一、设计任务与要求 1 设计任务 设计并制作一套简易旋转倒立摆及控制装置。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。

4、如下图所示 2 设计要求 基本要求：摆杆从处于自然下垂状态开始，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；从摆杆处于下垂状态开始，尽快增大摆杆的摆动幅度，直至完成圆周运动；在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近165位置，外力撤出同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于5s；期间旋转臂的转动不大于90。 发挥部分：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，保持倒立时间不少于10s；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内回复倒立状态；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

5、度达到或超过360。 二 系统方案 1 系统结构 系统包括MC9S12XS128单片机；直流电机和电机驱动模块；角位移传感器。由直流电机来控制旋转臂转动从而来使摆杆摆动，在摆杆的转轴处加上角位移传感器，使摆杆一开始能快速得摆动出来，并且能保持倒立的状态，框图如下： 2 方案比较与选择 （1） 角度传感器方案比较与选择 方案选择角位移传感器：角位移传感器它采用非接触式专利设计，与同 步分析器和电位计等其他传统的角位移测量仪相比，有效地提高了精度。 方案选择陀螺仪：陀螺仪传感器最主要的特性是它的稳定性和进动性。它是用来感测和维持方向的装置，主要用在航空来判断方向，在此次设计中想到用陀螺仪来控制摆杆

6、角度，但判断比较复杂，不实用。 MC9S12XS128 单片机 BTN7971 驱动 直流电机 角位移 传感器 摆杆 内置AD 因此我们选择角位移传感器。 （2）驱动器方案比较与选择 方案选择L298：L298工作电压为12V，电流到2A。但是它的驱动能力弱，不满足我们的需求。 方案选择BTN7971：相对于L298,这款驱动器有着跟强大得驱动能力。它与单片机5V隔离保护单片机；它的PWM1，PWM2最高支持15V，此驱动集成的模块反应迅速，发热量小。 因此我们选择BTN7971。 三理论分析与计算 1 电机的选型 一开始我们选择步进电机：步进电机可以实现开环控制，即通过驱动器信号输入的脉冲数

7、量和频率实现步进电机的角度和速度控制，无需反馈信号。它可以旋转极小的角度，从而实现倒立摆的功能。但我们实际操作起来转速比较慢，加上旋转臂等后速度缓慢。 后来选择直流电机：通过直流电机来带动旋转臂，从而带动摆杆。直流电机控制简单，只要加上合适的电压就会转，转速相比步进电机更快，比较适合本题的要求，而且更适用于PD算法，便于摆杆保持倒立状态。 2 摆杆状态检测 摆杆状态的检测主要要用角位移传感器，然后通过芯片内置AD每隔0.5ms 读取到数据，再将数据转化成角度，通过PID算法调节电机直立效果。假如当摆杆在倒立状态时，然后用手往右旋转一个角度后松手（采用PD算法，当偏离平衡角度越大，则PD反馈给电

8、机占空比的值就越大），角位移传感器则将角度信号传给AD，再通过PID算法给芯片，让电机向右旋转，使摆杆能保持倒立的状态。 3 驱动与控制算法 摆杆的运动时一个连续变化的过程，旋转的变化也是一个连续渐变的过程。在连续的闭环控制系统中，按偏差，比列，微分，积分进行的PID控制技术一种应用最广泛的控制方式。他具有庞简单，易于实现，适用面广等一系列优点。 连续PID控制器也称比列积分微分指控器，即过程控制是按误差的比列， 积分和微分对系统进行控制。 PID算法的控制数学模型为： 本程序采用PD控制，能够加大系统的反应速度。 四电路与程序设计 1 电路设计 （1）最小系统模块电路 此次设计我们采用MC9

9、S12XS128单片机，它是一款增强型16位单片机，该单片机采用CPU12X V2内核，可运行在40MHz总线频率上。存储器：128KB FLASH；2KB EEPROM;8KB RAM 。 A/D:16通道模数转换器；可选8位，10位和12位精度。PWM：8位9通道或16位4通道PWM。所有考虑用此芯片为最小系统。 （2）5110显示模块电路设计 5110显示屏是一款经典的机型，它的性价比高，可以显示15个汉字，30个字符。价格便宜。接口就四根I/O即可驱动，速度快。用它来显示PID的P和D的数值。其按键1为选择参数，按键2为增加参数值，按键3为减少参数值，按键4为启动键，如下图所示。 （3

10、）电机驱动模块电路设计 此次倒立摆的旋转臂由直流电机控制旋转，通过BTN7971驱动器来驱动。BTN7971内部包含2通道逻辑驱动电路，可以方便的驱动直流电机。BTN7971的供电电压典型值为7.2V ，电流为1A 。BTN7971驱动模块连线为：VCC 接5V 给芯片供电；EN 端接高电平使能；P1/P5为PWM 占空比控制与单片机连接；OUT1/2连接直流电机。 （4）角位移传感器模块电路设计 该WDS35D 传感器采用特殊形状的转子和绕线线圈，模拟线性可变差动传感器的线性位移，有较高的可靠性和性能，转子轴的旋转运动产生线性输出信号，围绕出厂预置的零位移动60度。此输出信号的相位指示离开零

11、位的位移方向。转子的非接触式电子耦合使传感器具有无限的分辨率，即绝对测量度可达到零点几度。 用高精度角位移传感器WDS35D 来采集摆杆的运动信号，本系统采用一个角度传感器装在转轴上。这样可以控制电机精确的转动。只需给传感器一个5V 的电压，当使摆杆摆动时，转轴会转动，传感器也会随着转轴转动并且输出一系列连续变化的模拟值。可以将该模拟值直接送给单片机内部的AD 进行采样再用数学拟合算法曲线处理之后控制电机转动。 采集电压： 5*1024ad V = ； 3605*=V 。由这两个公式推算出360*1024ad = （5）电源稳压模块设计 如下图为电源稳压模块，可以产生稳定的5V 的电压来供电。

12、 传感器 A/D 转换 控制器 角度信号 电压信号 数字信号 2 程序结构与设计 开始 超频，初始化端口 5110初始化，清屏 For（；） 按键扫描 参数修改 显示P,D值 五系统测试与误差分析 5.1 测试方案 硬件检测：采用数字万用表对电路板连接情况测试。 基础部分检测：基础部分的三个要求。 发挥部分检测：发挥部分的三个要求。 5.2 测试使用仪器 量角器，数字万用表VC890D，示波器DS2101，秒表。 5.3 测试结果与误差分析 摆杆处于自然下垂状态，观察摆角到达60和时间。 次数 1 2 3 4 时间2s 1.9s 1.89s 1.94s 摆杆处于自然下垂状态，观察摆杆完成圆周运

13、动时间 次数 1 2 3 4 时间 3.5s 3.2s 3.5s 3.5s 摆杆处入自然下垂状态，外力拉起摆杆接近165，摆杆保持倒立不少于5s， 观察旋转臂的转动角度。 次数 1 2 3 4 角度0.5 0.6 失败0.5 失败原因：电机马力不足，pd值未调好。 摆杆处入自然下垂状态，然后尽快让摆杆倒立并保持10s以上，观察所需时 间。 次数 1 2 3 4 时间失败失败失败失败 失败原因：电机马力不足，摆杆头重脚轻而且调试时间不足，导致PD值未调好 6结论 本系统以单片机为核心部分，根据角度传感器采集来的信息，经计算得出数据来控制直流电机转动，从而达到系统的基本要求。在系统设计中，力求硬件

14、线路简单，充分发挥软件编程灵活的特点，来满足系统设计的要求。因为时间有限，该系统还有许多值得修改的地方；比如对此系统来讲，PID算法并不是最优算法；硬件电路的设计还需优化，以减小系统的阻力等等。因此，系统还有待改进。 在这段时间内的试验过程中，我们遇到过许多的问题，需要我们自己去考虑，去动手，去解决。平时我们多是时间只是在学习理论知识，在准备比赛和进行比赛这段时间内，我们将平时课本上学习的知识真正的运用到实践中，经过此次竞赛我们认识到了团队合作的重要性，充分领会了大赛的精神，全队每个成员均得到宝贵的创作经验。 参考文献 1大学生电子设计竞赛组委会.第五届全国电子设计竞赛获奖作品编选.北京：北京理工大学出版社，2022 2何立民.单片机高级教程应用设计.北京：北京航空航天大学出版社，2000 3朱定华.单片机原理与接口技术.电子工业出版社，2022 4吴建平.传感器原理及应用.北京：机械工业出版社，2022 5郁有文.传感器原理及工程应用.西安：西安电子科技大学出版社，2022