基于avr单片机的旋转倒立摆设计

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1、基于AVR单片机的旋转倒立摆设计摘要：对简易旋转倒立摆的各个模块做了相关介绍，对系统的实现方案和设计步骤进行描述。采用ATmega16单片机作为主控元件，以BTS7960模块作为驱动器，使用直流伺服电机作为驱动电机。采用增量式PID算法控制摆杆达到稳定，对摆杆所处位置的角度进行分段，然后采用分段PID算法进行控制，以使摆杆快速趋于稳定状态，得到良好的控制效果。关键词：旋转倒立摆；ATmega16；BTS7970；伺服电机；PID算法中图分类号：TN911?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2014）14?0135?03Designof

2、rotationalinvertedpendulumbasedonAVRSCMHUXiao?fang（CollegeofElectronicEngineering，HeilongjiangUniversity，Harbin150080，China）Abstract：Eachmoduleofsimplerotaryinvertedpendulumisintroducedinthispaper.Therealizationschemeanddesignprocedureofthesystemaredescribed，inwhichATmega16mic

3、ro8controllerisusedasthemaincontrolelement，theBTS7960moduleasthedriverandtheDCservomotorasdrivingmotor.TheincrementalPIDalgorithmisadoptedtocontroltheswingrodtostabilizethependulum.Theangleofplacewheretheswingrodlocatesissegmented，andthenthesegmentationPIDalgorithmisemployedto

4、controltheswingrod，soastomaketheswingrodtovergetoasteadystatequickly，andobtainthegoodcontroleffect.Keywords：rotationalinvertedpendulum；ATmega16；BTS7960；servomotor；PIDalgorithm8倒立摆系统是一个多变量、不稳定、非线性系统，不仅是进行控制实验与控制理论教学的很好的一类模型，而且倒立摆系统能够很好的用来验证新的算法[1?3]。旋转倒立摆系统比直线倒立摆更加复杂和不稳定，系统的阶数比

5、直线倒立摆更高[3]。当前对直线倒立摆的研究成果较多，技术相对成熟，而对旋转倒立摆的研究相对较少。大多数都是有关算法的研究，很少有人详细介绍旋转倒立摆系统各个模块的组成。旋转倒立摆通过对水平面上的旋转臂转过的角度的控制使得竖直方向的摆杆逐渐趋于倒立状态，摆杆倒立时与竖直向上方向夹角为0°。对于倒立摆的研究有起摆问题和平衡点的稳定控制问题[4]。本文的旋转倒立摆系统在受到外界干扰时能够快速的恢复稳定状态。1系统总方案旋转倒立摆系统由电源模块、驱动模块、角度采集模块以及主控模块构成，倒立摆的机械结构主要有倒立摆支架、驱动电机、水平面旋转臂和摆杆构成。通

6、过采集回来摆杆角度的大小逐渐改变水平旋转臂转过的角度来调整摆杆与竖直方向的夹角以使摆杆达到稳定状态。总体方案如图1所示。图1系统总体方案图2系统硬件设计旋转倒立摆系统的硬件电路主要有电源部分、ATmega16单片机最小系统、电机驱动电路以及角度传感器四部分构成。2.1电源部分电源部分主要分成两个部分：一是给单片机最小系统、角度传感器和电机驱动供电的5V电源；二是专门为电机驱动部分供电的12V电源。采用12V开关电源为系统供电，最大电流能够达到5A，足够用于电机驱动旋转臂使得摆杆趋于稳定。5V电源采用LM7805三端稳压芯片[5]将12V电压降至稳定

7、的5V，对于此电压的要求比较严格，因为单片机的A/D转换部分所需基准源必须足够稳定。将12V电压转换为5V电压的电路图如图2所示。8图2电源电路电机驱动电路所需的12V电源直接由开关电源提供。2.2主控制器主控制器只需要能正常工作即可，而且不需要单片机工作在多机方式，所以单片机工作在最小模式，最小模式电路图如图3所示[6]。由于需要使用A/D转换部分且角度传感器采用5V供电，所以A/D转换的基准源使用ATmega16单片机外部的AREF引脚作为基准源接到5V电源上。图3单片机最小系统电路2.3电机驱动通常使用的直流电机驱动有L298N电路，然而由L

8、298N构成的驱动电路功率相对较小，而由BTS7960所构成的驱动电路能够提供相对较大的功率[7]。在旋转倒立摆系统中，电