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
2013年全国大学生电子设计竞赛
设计(论文)报告
简易旋转倒立摆及控制装置
2013年9月4日~2013年9月7日
摘要
摘要:
本自由摆的平板控制系统采用STC89C52单片机作为主控系统,L298N作为电机驱动模块,STC89C52单片机通过L298N驱动模块驱步进机,通过步进机上的转轴驱动旋转臂旋转,由于惯性,固定在旋转臂一端的摆杆在垂直于旋转臂的平面上自由旋转。
硬件部分主要包括STC89C52单片机最小系统,L298N电机驱动电路,CY-29角度传感器,电源模块,旋转倒立摆支架等。
本设计主要运用STC89C52单片机控制2相4线步进电机,由单片机产生脉冲信号精确控制步进机的转速和角度,使摆杆能够在旋转臂的驱动下摆到角度。
关键词:
STC89C52单片机;L298N电机驱动芯片;CY-29角度传感器;步进电机;倒立摆
目录
摘要1
目录i
1设计任务与要求1
1.1设计任务1
1.2设计要求1
2方案比较与论证2
2.1主控器的选择与论证2
2.2电机的选择与论证2
2.3驱动模块的选择与论证3
2.4角度传感器模块的选择与论证3
2.5电源模块的选择3
3系统硬件设计3
3.1总体电路框图3
3.2单元电路设计4
3.3整体电路图8
4系统软件设计8
4.1总体软件框图8
4.2各模块软件设计9
4.3总程序9
5系统调试与测试9
5.1测试仪器9
5.2测试指标10
5.3测试结果分析10
6设计总结11
参考文献11
附录12
附录:
电路图12
附录:
PCB图13
附录:
总程序16
1设计任务与要求
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所示。
电机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在步进电机A的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旋转倒立摆结构示意图
1.2设计要求
1.2.1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°
1.2.2发挥部分
1、从摆杆处于自然下垂状态开始,控制旋转臂作往复旋转运动,尽快使摆杆起倒立,保持倒立状态时间不少于10s;
2、在摆杆保持倒立状态下,施加干扰后摆杆能继续保持倒立或2s内恢复倒立状态;
3、在摆杆保持倒立状态的前提下,旋转臂作圆周运动,并尽快使单方向转过角度达到或超过360°;
4、其他。
2方案比较与论证
2.1主控器的选择与论证
方案一:
采用STC89C52
方案三:
采用AT89C52
方案论证:
方案一,STC89C52芯片价格便宜,应用范围广,较稳定,高速运转,低功耗,高性能;方案二,AT89C52芯片价格便宜,应用范围广,运转速度慢,抗静电抗干扰弱。
鉴于设计要求,故采用方案一。
2.2电机的选择与论证
方案一:
采用步进电机
方案二:
采用直流电机
方案三:
舵机
方案论证:
方案一,步进电机价格便宜,容易控制,旋转角度于脉冲成正比,每步的旋转角度精确度高,不会将一步的误差积累到下一步,且具有优秀的起停和反转响应;方案二,直流电机价格低,调速范围广,易于平滑调节,过载、起动、制动转矩大,难于控制转轴的角度和转速;方案三,舵机价格偏高,性能易受电压影响,控制旋转的角度精确度不高。
鉴于设计要求,故采用方案一。
2.3驱动模块的选择与论证
方案一:
采用L298N芯片
方案二:
采用三极管
方案论证:
方案一,L298N芯片价格便宜,电路设计简单,驱动电流大,足以驱动大功率的步进电机;方案二,三极管价格便宜,驱动电路设计复杂,不稳定,出问题难于查询。
本设计采用步进电机,故采用方案一。
2.4角度传感器模块选择与论证
方案论证:
考虑到测量角度的传感器安装位置情况比较特殊,需要安装在摆杆上,常用的一些角度传感器体积较大,使用起来不太方便,经过查找排除,可选择GY-29数字加速度模块,此模块体积小,易于安装,不影响摆杆的正常运动,并且测试数据较为精确,经过PID算法的处理,速度较快,能够很好的实时反映摆杆的运动状况。
因此采用GY-29数字加速度模块。
2.5电源模块的选择
为方便功能的测试,本设计电源部分采用220V交流电输入,经变压器耦合后变为14V交流电再经整流滤波供给电源稳压模块,经稳压模块可输出12V直流和5V直流电。
3系统硬件设计
3.1总体电路框图
为了使系统能够实现各种控制要求,本设计采用一种低功耗、高性能的的单片机STC89C52完成控制。
本设计采用CY-29角度传感器对摆杆的倾斜角度的采集数据,通过STC89C52单片机将采集到的数据送给单片机,单片机通过数据分析和处理控制L298N驱动电路,使步进机旋转带动旋转臂转动,从而带动摆杆自由摆动。
总体框图如图2所示。
图2
3.2单元电路设计
3.2.1倒立摆支架的设计
考虑到现有的材料,本设计采用木板和白色塑胶板做一个支架,将电机固定在支架上,旋转臂按要求做了45cm,摆杆的横截面为圆形,长度为18cm。
本装置是根据实际要求自己加工而成,能满足比赛的要求。
3.2.2STC89C52单片机最小系统
STC89C52单片机最小系统P0^1口、P0^2口、P0^3、P0^4口接L298驱动电路的输入口,单片机通过对L298N的控制,使L298发出脉冲控制步进进机;P1^0、P1^1采集角度传感器传来的数据并进行处理。
单片机最小系统如图3所示。
图3
3.2.3L298N电机驱动
L298N是一种二相四相步电机的专用驱动器,内含两个H-Bridge的高电压、大电流双桥式驱动器,接收标准;OUT1、OUT2、OUT3、OUT4之间分别接两个步进机;INPUT1、INPUT2、INPUT3、INPUT4接单片机I/O,接收输入控制电位来控制电机旋转。
本设计采用的步进电机是两相电机,L298N驱动电路如图4所示。
图4
3.2.4供电电源
供电电源采用集成稳压器7805,7809,7812,电路图中,稳压器输入端的电容为输入端滤波电容,输出端的电容为输出端滤波电容;家用电220V经过变压器成12V交流电,又经整流电路整流后接入供电电源模块,能输出直流电压5V、12V。
供电电源如图5、图6所示。
图5
图6
3.2.5角度传感器
ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计,分辨率高(13位),测量范围达±16g。
数字输出数据为16位二进制补码格式,可通过SPI(3线或4线)或I2C数字接口访问。
本设计采用I2C访问。
其高分辨率(3.9mg/LSB),能够测量不到1.0°的倾斜角度变化。
模块管脚如图7所示。
结构如图8所示。
其模块结构和模块参数如表1、表2所示。
图7
图8
表1模块引脚说明
序号
名称
描叙
1
VCC
电源供给范围3-5v
2
NC
空引脚
3
NC
空引脚
4
INT2
中断2
5
INT1
中断1
6
GND
电源地
7
GND
电源地
8
CS
片选
9
SDO
SPI数据输出
10
SDA/SDIO
SPI数据I/O,IIC数据线(兼容5v电平)
11
SCL
SPI时钟线,IIC时钟线(兼容5v电平)
12
VCC
电源供给范围3-5v
表2模块参数
名称
参数
工作电压
3~5V
工作电流
5uA(ADDRES引脚不悬空时)
通信方式
IIC/SPI
工作温度
-40°~85°
尺寸(长*宽*高)
18.2mm×23.3mm×11.6mm
3.3整体电路图
见附录
4系统软件设计
4.1总体软件框图
总体程序流程图如图8所示。
图8
4.2各模块软件设计及程序
步进电机左右转子程序及角度传感器子程序见附录
4.3总程序
见附录
5系统调试与测试
测试仪器
1、数字万用表
2、量角器
5.1测试指标
1、在步进电机的控制下,由旋转臂带动的摆杆能在要求时间内摆角达到-60°~60°,能够做圆周运动以及能够倒立持续一段时间。
2、当CY-2单片机处理数字量。
每个数字量对应一个角度,通过量角器测出角度,列出表格。
角度
0°
30°
60°
90°
120°
150°
180°
角度传感器处理值
X=-1.10
Y=0.01
X=-0.90
Y=0.52
X=-0.54
Y=0.87
X=0.1
Y=-1.0
X=0.89
Y=0.51
X=0.54
Y=0.86
X=1.05
Y=0
角度
-30
-60
-90
-120
-150
角度传感器处理值
X=0.87
Y=-0.53
X=0.5
Y=-0.89
X=0.3
Y=-1.3
X=-0.866
Y=-0.54
X=-0.55
Y=-0.85
表5-1
传感器倾斜角测量原理:
对于轴加速度传感器,当它的传感方向和重力加速度方向一致时,假如此时为零倾斜角度,设加速度传感器测量结果为F(θ),θ为倾斜角度,g为重力加速度,如图9所示:
F(θ)=gcosθ
(1)
对F(θ)求导得:
dFdθ=-gsinθ;
运用此方法测量倾斜角[4]。
加速度传感器测量结果为:
F(θx)=gcosθx;
F(θy)=gsinθy;图9
tanθ=F(θy)/F(θx);
测试结果分析
在使摆角达到60°的测试过程中,出现了一些问题。
在起动时电机启动不了,总是抖动,经过讨论分析得出结论,旋转臂不平衡,导致起动时力矩不均,解决方案是在旋转臂上加些东西使其平衡。
在测试过程中总是出现电流过大的现象,经过和队友的测量和分析,是驱动模块L298出现了故障,导致一相的输出电流过大,此模块在调试过程中重新制板多达五次。
在调节步进电机的转速使摆杆能够做圆周运动的过程中,出现了不少的问题。
步进电机的调速使摆杆做圆周运动中有误差,数周转下来之后,误差的积累使得结果与期望相差甚远,我们不得不运用软件调试使得误差得到较大的减少。
另外摆杆加上后导致摆杆转动不顺利,不得不改变摆杆的安装方式。
对于角度传感器的使用,本小组尚未完全实现要求的功能,但基本上掌握了其原理,正处于调试阶段。
6设计总结
经过四天三夜的辛勤努力,本设计实现了题目的基本要求。
但由于时间紧,任务重,系统还存在许多可以改进的地方,比如电路布局、抗干扰性等方面还有很大的提升空间,经过改进,相信性能还会有进一步的提升。
在软件编程方面,成功的通过软件编程消除了步进电机的起动抖动问题,采用的方法是:
采用低速起动,延时一段时间后全速运行。
当遇到问题时,所有小组成员参与讨论能够较好的解决问题,但我们在设计过程中分工不够明确,耗费了不少的时间,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。
附录
电路图
图PCB
稳压电源
L298驱动模块
最小系统
附录:
程序
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