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1、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)【本科组】522013年9月7日52摘要本题要求设计一个简易旋转倒立摆及控制系统，其中角度传感器、步进电机和单片机890C521是系统核心部件。系统接收角度传感器反馈的信号，通过PCF8591将接收的信号转换成数字信号，将数值送入单片机中进行计算，可得出摆杆的位置，进而单片机控制步进电机,对摆杆进行控制,达到所要的旋转或者倒立的控制目标。关键词：简易旋转倒立摆步进电机单片机角度传感器52目录521设计任务及要求61.1设计任务61.2基本要求62主控制器件的论证与选择72.1控制器选用7
2、2.2控制系统方案选择72.3角度的获取模块论证与选择72.4步进电机及其驱动模块的选择82.5AD/DA的选择83系统的硬件设计83.1总体电路框图8图3-1系统框图93.2系统电路与程序设计103.2.1STC89C52单片机最小系统103.2.2PCF8591模块图如图3-2。113.3.3模块芯片TB6560AHQ原理图如图3-3。113.3.4供电电源124系统软件总体设计框图145测试方案与测试结果146总结16参考文献17附录185252简易旋转倒立摆及控制装置(C题)【本科组】1设计任务及要求1.1设计任务设计并制作一套简易旋转倒立摆
3、及其控制装置。旋转倒立摆的结构如图1-1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。图1-1旋转倒立摆结构示意图1.2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°；52（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
4、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主控制器件的论证与选择2.1控制器选用方案一:采用ARM,运行速度快,引脚多,部资源丰富,具有很高的运算速率,但是价格较高,对于初学者,ARM不易掌握.方案二:采用STC89C52单片机,选用STC89C52单片机作为控制核心，它具有8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片晶振及时钟电路,且容易烧录,使用方便。所以我们选用STC89V52作为主控芯片2.2控制系统
5、方案选择方案一：采用在面包板上搭建简易单片机系统52在面包板上搭建单片机系统可以方便的对硬件做随时修改，也易于搭建，但是系统连线较多，不仅相互干扰，使电路杂乱无章，而且系统可靠性低。方案二：自制单片机印刷电路板自制印刷电路实现较为困难，实现周期长，此外也会花费较多的时间，影响整体设计进程。方案三：采用单片机最小系统。单片机最小系统,能明显减少外围电路的设计，降低系统设计的难度，非常适合本系统的设计。综上所述，我们选择方案三。2.3角度的获取模块论证与选择方案一：采用加速度传感器加速度传感器采用模拟量输出，需要放大电路及A/D完成角度的测量，测量精度高
6、，但是摆杆上不易安装重物，且不易固定。方案二：采用增量式光电旋转编码器光电旋转编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲。旋转编码器具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。但是旋转编码器安装较为不便，增加了系统硬件电路设计的工作量。方案三：采用电位器作为角度传感器52简易旋转倒立摆系统的角度测量也可采用可变电阻器。精密的可变电阻器具易获得、重复性高、分辨率高、高频响应特性好、易使用等特点。且电位器传感器结构简单，体积小，价格低廉，受环境因素影响小，性能稳定。综合以上三种方案微调电位器可以很好地
7、达到我们的要求，角度有效围载33.3度左右，由于本课题精度不高，考虑带经济性和灵活性，我们选择方案三。2.4步进电机及其驱动模块的选择方案一：采用直流减速电机，转速较低,反应速度慢,但是驱动模块简单。方案二：采用型号为57步进电机，为两相四线步进电机，它的步距角仅为1.8°，扭矩为0.50N/m，有较高的空载启动频率，在十六细分后能实现0.225°的步距角能够满足本系统的控制要求，驱动电路较复杂，用42/57专用驱动模块TB6560AHQ驱动，能满足要求，而驱动L298N模块功率较小，无法满足要求，易造成失步。最终选定的步进电机为57步进电机，驱动电
8、路模块选用TB6560AHQ模块。2.5AD/DA的选择方案一：采用ADC0832ADC0832为8位分辨率
