简易旋转倒立摆及控制装置.docx
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简易旋转倒立摆及控制装置
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简易旋转倒立摆及控制装置
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
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°；
（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,内部资源丰富,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，片内晶振及时钟电路,且容易烧录,使用方便。
所以我们选用STC89V52作为主控芯片
2.2控制系统方案选择
方案一：
采用在面包板上搭建简易单片机系统
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，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
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达到我们的要求，角度有效范围载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，驱动电路模块选用TB6560AHQ模块。
2.5AD/DA的选择
方案一：
采用ADC0832
ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。
其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。
芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度慢且稳定性能较差，而且占用I/O口多。
方案二：
采用PCF8591
PCF8591具有I2C总线结构的多通道8bits的逐次逼近型ADC和一个内置8bits单通道ADC，功能多，速度超快，功耗低，单电源供电，串行输入输出，节约I/O口资源，并能在一个处理系统中外接多个PCF8591，能进行更多更强的处理。
综上，从各方面考虑，我们选择方案二。
3系统的硬件设计
3.1总体电路框图
为了使系统能够实现各种复杂的控制功能，本设计采用一种功能强大的、高速低功耗性价比高的单片机STC89C52完成对其他部分控制。
本设计采用SV01A103AEA01R00旋转角度传感器（旋转电位器）对摆杆的倾斜角度进行数据采集，通过PCF8591D/A转换芯片将数据送入单片机，单片机通过数据分析控制TB6560AHQ驱动电路，进而控制步进电机使步进机旋转达到设定的位置，用数码管显示A/D的数据。
总体框图如图3-1所示。
按键电路模式选择择
图3-1系统框图
3.2系统电路与程序设计
3.2.1STC89C52单片机最小系统
最小系统包括复位、按键、显示和电源部分，而下载模块用单片机最小系统直接下载，减少了系统的浪费，而且防止连续的拔插单片机。
STC89C52单片机最小系统如图3-4所示。
图3-4最小系统
3.2.2PCF8591模块图如图3-2。
图3-2PCF8591模块图
3.3.3模块芯片TB6560AHQ原理图如图3-3。
图3-3模块芯片TB6560AHQ原理图
3.3.4供电电源
由于需要驱动57步进电机，防止失步，其需要的功率较大，我们采用现有的直流稳压电源直接供电，电源模块的示意图如图3-5。
为了达到较好的工作效果，我们选用兆信RXD-302-Ⅱ双路电源供电，具有很好的可靠性和灵活性，电压电流均可调，而且还在带一个5V电压输出端。
图3-5电源电路
4系统软件总体设计框图
如图4-1所示。
初始化
图4-1总体程序框图
5测试方案与测试结果
测试结果（S）
模式
模式一
模式二
第一次
49
25
第二次
34
35
这次设计的要求，所设计的系统要有较高的灵敏度和相应的转矩，这两样是最为重要的，我们所设计的系统，不能很好地满足要求，有待进一步改进
6总结
经过四天三夜的辛勤努力，此次基于单片机为控制核心的简易旋转倒立摆的系统设计终于完成。
通过合理的系统构建和软件编程，本系统也未能够完成题目的要求，实现摆杆的旋转及倒立，实际测试表明，所设计系统的稳定性有待改进。
但由于时间紧，任务重，系统还有一些功能未能实现，比如摆杆在受到干扰后，能够及时恢复倒立状态。
若经过改进，相信性能还会有进一步的提升。
本次竞赛极大的锻炼了我们各方面的能力，虽然我们遇到了很多困难和障碍，但总体上成功与挫折交替，困难与希望并存，我们将继续努力争取更大的进步。
参考文献
[1]刘宝延.步进电机及其驱动控制系统[M].哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社，1972.
[2]周航慈.单片机应用程序设计技术[M].北京：
北京航空航天大学出版社，1991.
[3]郁有文.传感器原理及工程应用[M].西安：
西安电子科技大学出版，2008.
[4]宋戈.51单片机应用开发范例大全[M].北京：
人民邮电出版社，2010.
[5]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：
高等教育出版社，2009.
[6]吴建平.传感器原理及应用[M].北京：
机械工业出版社，2009.
[7]唐继贤.51单片机工程应用实例[M].北京：
北京航空航天大学出版社，2009.
附录
第一部分
$NOMOD51
;------------------------------------------------------------------------------
;ThisfileispartoftheC51Compilerpackage
;Copyright（c）1988-2002KeilElektronikGmbHandKeilSoftware,Inc.
;------------------------------------------------------------------------------
;STARTUP.A51:
Thiscodeisexecutedafterprocessorreset.
;
;TotranslatethisfileuseA51withthefollowinginvocation:
;
;A51STARTUP.A51
;
;TolinkthemodifiedSTARTUP.OBJfiletoyourapplicationusethefollowing
;BL51invocation:
;
;BL51,STARTUP.OBJ
;
;------------------------------------------------------------------------------
;
;User-definedPower-OnInitializationofMemory
;
;WiththefollowingEQUstatementstheinitializationofmemory
;atprocessorresetcanbedefined:
;
;;theabsolutestart-addressofIDATAmemoryisalways0
IDATALENEQU80H;thelengthofIDATAmemoryinbytes.
;
XDATASTARTEQU0H;theabsolutestart-addressofXDATAmemory
XDATALENEQU0H;thelengthofXDATAmemoryinbytes.
;
PDATASTARTEQU0H;theabsolutestart-addressofPDATAmemory
PDATALENEQU0H;thelengthofPDATAmemoryinbytes.
;
;Notes:
TheIDATAspaceoverlapsphysicallytheDATAandBITareasofthe
;8051CPU.AtminimumthememoryspaceoccupiedfromtheC51
;run-timeroutinesmustbesettozero.
;------------------------------------------------------------------------------
;
;ReentrantStackInitilization
;
;ThefollowingEQUstatementsdefinethestackpointerforreentrant
;functionsandinitializedit:
;
;StackSpaceforreentrantfunctionsintheSMALLmodel.
IBPSTACKEQU0;setto1ifsmallreentrantisused.
IBPSTACKTOPEQU0FFH+1;settopofstacktohighestlocation+1.
;
;StackSpaceforreentrantfunctionsintheLARGEmodel.
XBPSTACKEQU0;setto1iflargereentrantisused.
XBPSTACKTOPEQU0FFFFH+1;settopofstacktohighestlocation+1.
;
;StackSpaceforreentrantfunctionsintheCOMPACTmodel.
PBPSTACKEQU0;setto1ifcompactreentrantisused.
PBPSTACKTOPEQU0FFFFH+1;settopofstacktohighestlocation+1.
;
;------------------------------------------------------------------------------
;
;PageDefinitionforUsingtheCompactModelwith64KBytexdataRAM
;
;ThefollowingEQUstatementsdefinethexdatapageusedforpdata
;variables.TheEQUPPAGEmustconformwiththePPAGEcontrolused
;inthelinkerinvocation.
;
PPAGEENABLEEQU0;setto1ifpdataobjectareused.
;
PPAGEEQU0;definePPAGEnumber.
;
PPAGE_SFRDATA0A0H;SFRthatsuppliesuppermostaddressbyte
;（most8051variantsuseP2asuppermostaddressbyte）
;
;------------------------------------------------------------------------------
;StandardSFRSymbols
ACCDATA0E0H
BDATA0F0H
SPDATA81H
DPLDATA82H
DPHDATA83H
NAMEC_STARTUP
C_C51STARTUPSEGMENTCODE
STACKSEGMENTIDATA
RSEGSTACK
DS1
EXTRNCODE（C_START）
PUBLICC_STARTUP
CSEGAT0
C_STARTUP:
LJMPSTARTUP1
RSEGC_C51STARTUP
STARTUP1:
IFIDATALEN<>0
MOVR0,#IDATALEN-1
CLRA
IDATALOOP:
MOV@R0,A
DJNZR0,IDATALOOP
ENDIF
IFXDATALEN<>0
MOVDPTR,#XDATASTART
MOVR7,#LOW（XDATALEN）
IF（LOW（XDATALEN））<>0
MOVR6,#（HIGH（XDATALEN））+1
ELSE
MOVR6,#HIGH（XDATALEN）
ENDIF
CLRA
XDATALOOP:
MOVX@DPTR,A
INCDPTR
DJNZR7,XDATALOOP
DJNZR6,XDATALOOP
ENDIF
IFPPAGEENABLE<>0
MOVPPAGE_SFR,#PPAGE
ENDIF
IFPDATALEN<>0
MOVR0,#LOW（PDATASTART）
MOVR7,#LOW（PDATALEN）
CLRA
PDATALOOP:
MOVX@R0,A
INCR0
DJNZR7,PDATALOOP
ENDIF
IFIBPSTACK<>0
EXTRNDATA（C_IBP）
MOVC_IBP,#LOWIBPSTACKTOP
ENDIF
IFXBPSTACK<>0
EXTRNDATA（C_XBP）
MOVC_XBP,#HIGHXBPSTACKTOP
MOVC_XBP+1,#LOWXBPSTACKTOP
ENDIF
IFPBPSTACK<>0
EXTRNDATA（C_PBP）
MOVC_PBP,#LOWPBPSTACKTOP
ENDIF
MOVSP,#STACK-1
;ThiscodeisrequiredifyouuseL51_BANK.A51withBankingMode4
;EXTRNCODE（B_SWITCH0）
;CALLB_SWITCH0;initbankmechanismtocodebank0
LJMPC_START
END
第二部分
/**********************************************************************************
*标题:
*************DA-AD试验********************
*
/******************************主程序*****************************************************/
#include
#include
#definePCF85910x90//PCF8591地址
//elseIO
sbitLS138A=P2^2;
sbitLS138B=P2^3;
sbitLS138C=P2^4;
sbitfirst=P2^5;//按键1模式1选择
sbitsecond=P2^6;//按键2模式2选择
sbitthird=P2^7;//按键3模式3选择
sbitfouth=P3^0;//按键4模式4选择
sbitfith=P3^1;//按键5模式清零选择
sbitshi_neng=P1^0;//使能控制位
sbitfang_xiang=P1^1;//旋转方向控制位
sbitmai_chong=P1^2;//脉冲控制位
//此表为LED的字模,共阴数码管0-9-
unsignedcharcodeDisp_Tab[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
unsignedcharAD_CHANNEL;
unsignedlongxdataLedOut[8];
signedintD[32];
unsignedintad=0,ad0=0;
unsignedintms15=0;
unsignedchari=0,a=0,b=0,c=0,e=0;
unsignedcharxiang;
signedcharn=0;
unsignedintxx（）;
voidround（）;
voidsystem（）
{
TMOD=0x01;
TH0=（65535-2000）/256;
TL0=（65535-2000）%256;
IE=0x8a;
IT0=0;
TR0=1;
}
/*******************************************************************
DAC变换,转化函数
*******************************************************************/
bitDACconversion（unsignedcharsla,unsignedcharc,unsignedcharVal）
{
Start_I2c（）;//启动总线
SendByte（sla）;//发送器件地址
if（ack==0）return（0）;
SendByte（c）;//发送控制字节
if（ack==0）return（0）;
SendByte（Val）;//发送DAC的数值
if（ack==0）return（0）;
Stop_I2c（）;//结束总线
return
（1）;
}
/*******************************************************************
ADC发送字节[命令]数据函数
*******************************************************************/
bitISendByte（unsignedcharsla,unsignedcharc）
{
Start_I2c（）;//启动总线
SendByte（sla）;//发送器件地址
if（ack==0）return（0）;
SendByte（c）;//发送数据
if（ack==0）return（0）;
Stop_I2c（）;//结束总线
return
（1）;
}
/*******************************************************************
ADC读字节数据函数
*******************************************************************/
unsignedcharIRcvByte（unsignedcharsla）
{unsignedcharc;
Start_I2c（）;//启动总线
SendByte（sla+1）;//发送器件地址
if（ack==0）return（0）;
c=RcvByte（）;//读取数据0
Ack_I2c
（1）;//发送非就答位
Stop_I2c（）;//结束总
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