简易旋转倒立摆及控制装置

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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】2013年9月7日摘要本简易旋转倒立摆控制系统采用STC89C52单片机作为主控芯片，BTS7960模块作为电机驱动，用MPU-6050角度传感器检测摆杆位置，单片机用PID算法控制直流减速电机PWM信号精确控制电机的转速和角度，从而实现驱动电机带动旋转臂做往复旋转使摆杆摆动，在规定时间内实现摆角超过60º，摆杆从自然下垂状态完成圆周运动和从165º起始位置保持倒立，并且使用液晶屏显示摆杆角度和模式。本倒立摆系统用+12V开关电源给减速电机供电，用+5V稳压电源给单片机供电。最后的测试表明

2、，本系统基本达到了基本要求。关键词：单片机，角度传感器，直流减速电机，PID，液晶显示目录I1系统方案11.1主控芯片的选择11.2角度检测模块选择21.3电机的选择21.4电机驱动的选择22系统理论分析与计算32.1控制算法的分析32.2摆杆角度的计算43电路与程序设计43.1电路的设计43.1.1系统总体框图43.1.2各模块电路原理图43.2程序的设计73.2.1程序功能描述与设计思路73.2.2程序流程图84测试方案与测试结果84.1测试方案84.2测试条件与仪器94.3测试结果及分析94.3.1测试结果(数据)94.3.2测试分析与结论9附录1：电路原

3、理图10附录2：源程序11I简易旋转倒立摆及控制装置（C题）【本科组】1系统方案本题要求设计并制作一个简易旋转倒立摆控制系统，能实现摆杆摆过一定角度和做完成圆周运动，保持倒立的基本要求部分。发挥部分要求实现摆杆从自然状态摆起保持倒立并有一定额抗干扰能力，并且在摆杆保持倒立状态下旋臂可以单方向转过360º以上。图1-1旋转倒立摆模型图本系统利用角度传感器检测单摆摆动角度，利用单片机接收信号并控制直流减速电机来控制旋臂转动从而控制摆杆摆动。本系统主要由控制器模块、角度检测模块、电机模块、电机驱动模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1主控芯片的选择方

4、案一：采用凌阳公司的SPCE061A单片机作为控制器的方案。该单片机I/O资源丰富，但是价格昂贵。方案二：使用FPGA，CPLD等大规模可编程逻辑控制器件，其时钟频率高，18运算速度很快，但不适合于该题目。方案三：采用ATMEL公司的STC89C52。52单片机价格便宜，应用广泛，其功能足以实现本设计要求。综合考虑，我们选择方案三。1.2角度检测模块选择方案一：使用电位器作为角度传感器，由于不同角度输出的电阻值不同，通过AD采样电阻两端电压，计算得到角度。但是，对于一般的电位器，线性度较差，而对于线性度较好的电位器，如22HP-10等，价格较高。方案二：采用OM

5、RON公司的E6B2-CWZ6C编码器，数字信号输出，采集方便，价格昂贵。方案三：采用MPU6050加速度传感器，数字输出（I2C/SPI）、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度计，具有输出精确，体积小，工作可靠，各种标识清晰，扩展性好等特点。综合以上三种方案，选择方案三。1.3电机的选择方案一：使用伺服电机作为执行元件，运行精确，能高速制动，惯量小，适合闭环控制。但价格昂贵，编程复杂。方案二：采用57步步进电机控制平板的运动，最小步进角为1.8度，因此能实现转动的精确控制，但步进电机的震动动不利于摆杆的倒立平衡。方案三：采用直流减速电机控制平板，直流减速电机力矩大

6、，转动速度快，反应灵敏，易于及时控制。综合考虑采用方案三。1.4电机驱动的选择方案一：采用普通三极管作H桥式驱动电路。三极管作为一个典型的直流电机驱动电路。电路得名于“H桥式驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠。H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。 此H桥电路结构简单，容易实现，但是驱动能力较小三极管容易发热，所以不采用此方案。方案二：采用L298N驱动电路。18L298N是S

7、GS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种两相和四相电机的专用驱动器，即内部含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A一下的电机。PWM配合桥是驱动电路L298N，实现直流电机调速，非常简单，调速范围大，但是L298N在驱动大功率电机时发热较严重容易烧坏芯片，所以不采用此方案。方案三：采用BTS7960驱动电路。BTS7960是应用于电机驱动的大电流半桥式高集成芯片，它带有一个P够到的高边MOSFET、一个N沟道的底边MOSGET和一个驱动IC。P沟道高边开关省去了电荷泵的需求，因而减小了EMI.集成的驱动IC

8、具有逻辑电平输入、电流诊