全国大学生电子设计竞赛文档(倒立摆)

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1、摘要本文介绍了以AVRmega328P单片机为控制核心，通过编码器得到系统变量，应用PID控制算法，步进电机调速对环形倒立摆进行控制，实现了倒立摆在一定的角度范围内动态倒立以及圆周运动。同时可以通过键盘设定运行模式并且读出系统当前状态，具有较好人机界面。经测试，本系统完成了题目所要求的各项基本指标，并达到了全部的发挥部分要求。关键词：AVRmega328P环形倒立摆PIDAbstractThispaperintroducestheAVRmega328Pmicrocontrollercore,obtainedbytheenco

2、dersystemvariables,theapplicationofPIDcontrolalgorithm,thesteppermotorspeedontheannularinvertedpendulumcontrol,toachievetheinvertedpenduluminacertainrangeofanglesandcircularmotiondynamicinverted.Youcanalsosettheoperatingmodeviathekeyboardandreadthecurrentstateofthe

3、systemandhasgoodman-machineinterface.Aftertesting,thesystemcompletedalltherequiredquestionsbasicindicators,andreachedallplayapartrequirements.Keywords:AVRmega328PannularinvertedpendulumPID目录第一章系统方案论证与选择11.1系统结构11.2方案比较与选择11.2.1芯片控制模块11.2.2电机选择21.2.3电动机驱动调速模块21.2.4编

4、码器选择31.2.5显示方案选择3第二章理论分析与计算42.1电动机选型42.2摆杆状态检测52.3驱动与控制算法72.3.1驱动72.3.2控制算法8第三章机械与电路及程序设计93.1机械设计93.1.1旋转臂杆与摆杆93.2电路设计93.2.1电源电路设计93.2.2电机驱动电路设计103.2.3键盘显示电路设计103.3程序结构设计12第四章测试结果与分析15第五章参考文献17附录A主要元器件明细表18附录B电路原理图19附录C电路PCB图及实物图20附录D系统设计程序代码23第一章系统方案论证与选择1.1系统结构整个

5、系统分为系统模块、编码器模块、电机驱动模块、电机模块、电源模块、键盘模块、显示模块。各模块的系统框图如图1.1所示。编码器模块键盘模块电机模块电机驱动模块显示模块电源模块控制模块图1.1系统框图1.2方案比较与选择1.2.1芯片控制模块方案一：采用传统的51系列单片机。传统的51单片机为8位机，价格便宜，控制简单，但是运算速度慢，片内资源少，存储容量小，难以存储大体积的程序和实现快速精准的反应控制。并且受时钟限制，计时精度不高，外围电路也增加了系统的不可靠性。方案二:采用AVRmega328P单片机24AVRmega328P

6、单片机，具有功能强大、效率高的指令系统，以及高性能模拟技术及丰富的外围模块。方便高效的开发环境使操作更加简便，低功耗是其它类单片机难以比拟的，集成度较高，编程相对简单。综上，选择了性能跟好的AVRmega328P单片机。1.2.2电机选择方案一：普通直流伺服电机普通直流伺服电机有价格低使用简单等优点，但其扭矩较小，可控性差，此系统要求控制精度高速度快，直流电机则不能满足要求。方案二：减速电机减速电机克服了普通直流电机扭矩小的缺点，而且价格较低，但其可控性不太好，难以精确控制，不易倒立。方案三：步进电机步进电机具有转角精确可控

7、的优点，速度和转角都能控制，适用于精确控制系统。只是价格稍高。为保证稳定可靠，选用方案三。1.2.3电动机驱动调速模块方案一采用芯片L298驱动电机，用单片机控制L298的输入使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。电子开关的速度很快，稳定性也极强。但驱动电流小，无法驱动更大功率的电机，限制了其应用范围。方案二：采用自搭接的H桥电路选用大功率达林顿管或场效应管自制H桥电路，电路原理简单，具有高效，低功率等特点，但是性能不够稳定，电路调试复杂。方案三：采用TB6560电机驱动芯片TB6560内部集成双全桥MOSFE

8、T驱动，耐高压，电流输出大，精度高，内置温度保护芯片，具有过流保护。TB6560电机驱动芯片更符合本系统需求，所以选择方案三。241.2.4编码器选择方案一：增量型编码器增量型编码器存在零点累计误差，抗抖动性差，判断转向困难，断电数据丢失，耗大量单片机资源等缺点。方案二：绝对式编码器绝对式