摘 要
本旋转式倒立摆系统，主要包括单片机控制模块，直流减速电机及驱动模块，以及角位移传感器模块和液晶显示模块构成闭环系统。其中控制模块采用AT89S52为控制芯片，直流减速电机为执行机构，L298电机驱动芯片驱动。旋臂和摆杆之间由角位移传感器连接，摆杆可绕旋臂在垂直平面内旋转。角位移信号由角位移传感器测量得到，经过ADS1115模数转换芯片输出数字信号，单片机处理读出实际角度最后由液晶显示出倒立摆的摆动角度。本系统的PID算法算法是通过实际经验试验出倒立摆的控制规律，稳定的完成倒立摆旋转运动。
关键词：倒立摆 PID算法 角度传感器 AD转换 直流减速电机
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一、系统方案
本系统主要由单片机控制模块、电动机及其驱动模块、角度传感器及模数转换模块、显示模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。（总的流程图如图1所示）
图1 系统流程图
1.1主控芯片的论证与选择
方案一：选择AT89S52单片机进行系统的控制。该单片机具有IAP功能，算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，功耗低、体积小、技术成熟等优点，且价格便宜，操作简单最小系统板可自己制作完成。
方案二：选择ATmega32作为主控芯片。ATmage32型单片机作为主控CPU其主要特点为高性能、低功耗、高性价比，资源丰富，并且支持高级语言编程，但价格较贵，操作相对复杂。
综上所述选择方案一，因为本系统需要的 I/O口较少，加之51单片机的技术更为成熟，且AT89S52也能使系统运行稳定，符合实际要求。 1.2电动机及其驱动的论证与选择
方案一：使用直流减速电机，直流减速电机具有良好的调速性能，控制起来也比较简单。直流电机只要通上直流电源就可连续不断的转动，调节电压的大小就可以改变电机的速度。常用的驱动方式是PWM方式，即脉冲宽度调制方式，此方法性能较好，电路和控制都比较简单。
方案二：使用步进电机。步进电机具有良好的控制性能。当给步进电机输入一个电脉冲信号时，步进电机的输出轴就转动一个角度，因此可以实现精确的位置控制。与直流电机不同，要使步进电机连续的转动，需要连续不断的输入点脉冲信号，转速的大小由外加的脉冲频率决定。而且其转动不受电压波动和负载变化的影响，也不受温度、气压等环境因素的影响，仅与控制脉冲有关。但步进电机的驱动相对较复杂，要由控制器和功率放大器组成且
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成本较高。
综上所述选择方案一，因为本系统需要急停或急反转，故使用直流减速电机更适合。 1.3 角度传感器模块的论证与选择
方案一：倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器，倾角传感器还可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。
方案二：角度传感器是用来检测角度的。它的身体中有一个孔，可以配合乐高的轴。当转过一定角度传感器就会计数一次。往一个方向转动时，计数增加，转动方向改变时，计数减少。计数与角度传感器的初始位置有关。当初始化角度传感器时，它的计数值被设置为0。
最终选择方案：方案二，因为本系统需要用角度传感器来时时检测摆杆的摆动角度并不断调整，且需要转动在0~360度之间故，选用方案二。
1.4 数模转换模块的论证与选择
方案一：ADC0804为CMOS工艺20引脚集成芯片，分辨率为8位，转换时间为100uS，输入电压范围为0~5V，芯片具有三态输出数据锁存器，可直接连接在数据总线上。
方案二：ADS1115是具有16位分辨率的高精度模数转换器(ADC)，采用超小型的无引线MSOP-10封装。它在设计时考虑到了精度、功耗和实现的简易性。ADS1115具有一个板上基准和振荡器。数据通过一个I2C兼容型串行接口进行传输；可以选择4个I2C从地址。ADS1115采用2.0V至5.5V的单工作电源。ADS1113/4/5能够以高达每秒860个采样数据的速率执行转换操作。另外，ADS1115还具有一个输入多路复用器(MUX)，可提供两个差分输入和四个单端输入。
最终方案选择:方案二，本系统需要时时检测且要求分辨率高一点，更灵敏，ADS1115是串行I2C总线器件可以节约更多的I/O口，数字采集频率较高可以满足系统要求。
1.5 显示模块的论证与选择
方案一：使用LED数码管显示。数码管采用BCD编码显示数字，对外界环境要求低，易于维护。但根据题目要求，如果需要同时显示给定值和测量值，需显示的内容较多，要使用多个数码管动态显示，使电路变得复杂，加大了编程工作量。
方案二：使用LCD显示。LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示英文和数字及符号，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点。
最终方案选择：选择方案二。采用LCD 1602液晶显示模块同时显示角度传感器的采样数据摆杆的旋转角度和PWM波的占空比，便于时时观察。
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1.6 电源模块的论证与选择
由于系统需要多个电源，单片机、A/D使用+5V稳压电源，电动机需要+12V稳压电源，驱动需要+9V稳压电源，电源需为系统提供足够持续稳定的电压。
综上所述，采用三端稳压集成7805、7905、7809、7909、7812、7912分别得+-5V、+-9V和±12V的稳定电压，78H、79H系列稳压器输出电流可以达到5A，能为系统提供足够大的稳定电流。利用该方法实现的电源电路简单，用足够大的极性电容滤波后，电压源工作稳定可靠。
二 、理论分析与计算
2.1 电动机及驱动选型
使用直流减速电机，直流减速电机具有良好的调速性能，控制起来也比较简单。直流电机只要通上直流电源就可连续不断的转动，调节电压的大小就可以改变电机的速度。常用的驱动方式是PWM方式，即脉冲宽度调制方式，此方法性能较好，电路和控制都比较简单。
本系统的执行机构采用直流减速电机40JB20，额定电压为12VDC，额定电流为2．8A，额定转速为300r／min，转矩为4Kg2cm。
电动机驱动选用意大利SGS半导体公司生产的步进电机专用控制器L298，它能产生4相控制信号，可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机，能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制步进电机。芯片内的PWM斩波器电路可开关模式下调节步进电机绕组中的电机绕组中的电流。该集成电路采用了SGS公司的模拟/数字兼容的I2L技术，使用5V的电源电压，全部信号的连接都与TFL/CMOS或集电极开路的晶体管兼容（L298芯片如图2所示）。
图2 LM298引脚
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图3 电动机驱动模块电路
2.2 摆杆状态检测
硬质摆杆通过转轴连接在旋转臂边缘，且距旋转臂轴心距离为20cm；摆杆的横截面为圆形，直径小于1cm，长度为15cm；允许使用传感器检测摆杆的状态，但不得影响摆杆的转动灵活性，故采用角度传感器WDS36-5K采样摆杆的角度，本系统中的角度传感器同时可以看作是转轴.（倒立摆的内部结构见图4,5所示）
图4 旋转倒立摆结构 图5 角度传感器
在角度传感器的1、2两端加上+5V电压，然后将1、3之间的电压值传送到AD芯片。阻值差为+—20%，不影响电位计的分压作用，耐久性为5000万次，完全满足系统要求。
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