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】
摘 要
该装置主采用STC12C5A60S2单片机为控制核心的自动控制系统，简易旋转倒立摆及控制装置是要由摆杆框架、主控器、电机和数据采集部分四大部分组成。GY-291传感器完成角度的测量后，舵机完成对摆杆的带动，并且可以通过1602液晶屏对度数实时显示。为了能够准确的控制摆杆转动的角度大小，达到控制的精度，在单片机内部进行PID运算，实现了对摆杆的角度的精确控制。
技术方面，本装置充分利用了PID算法，PWM技术实现对角度的控制。电压输出方面，自制的直流电压源针对不同部位输出不同电压。在软件编程方面，成功的通过软件编程消除了电机的抖动问题。并在系统供电电路上进行了创新设计，取得了较好的效果。
关键字：STC单片机 , GY-291角度传感器,舵机
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目 录
一 系统方案 ....................................................... 3 1.1 系统结构 ..................................................... 3 1.2 主控器的选择与论证 ........................................... 3 1.3 电机的选择与论证 ............................................. 4 1.4 液晶显示屏的选择与论证 ....................................... 4 1.5 轴承的选择与论证 ............................................. 4 二 理论分析与计算 ................................................. 5 2.1电动机选型 .................................................... 5
2.1．1电机的组成 ............................................. 5 2.1.2电机的角度控制与时间之间的算法 .......................... 5 2.2摆杆状态监测 .................................................. 6
2.2.1摆杆的角度检测 .......................................... 6 2.2.2负反馈系统 .............................................. 6 2.3驱动与控制算法 ................................................ 7
2.3.1系统控制算法（PID算法） ................................ 7 2.3.2PWM ..................................................... 7
三 电路与程序设计 ................................................. 8 3.1单元电路设计 .................................................. 8
3.1．1STC12C5A60S2单片机最小系统 ............................. 8 3.1.2 GY-291倾角传感器 ....................................... 9 3.1.3供电源 ................................................. 10 3.2程序流程图 ................................................... 11 四 测试方案与测试结果 ............................................ 12 4.1自测功能 ..................................................... 12 4.2基本要求的测试结果 ........................................... 13
4.2.1手动测试与仪器 ......................................... 13 4.3发挥部分的测试结果 ........................................... 13 五 设计总结 ...................................................... 14 六参考文献 ....................................................... 14
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设计题目
一系统方案
1.1 系统结构
简易旋转倒立摆及控制装置是由STC12C5A60S2单片机为核心控制器通过角度传感器采集角度传给单片机，单片机通过PID算法对信息进行处理，舵机带动摆杆转动，摆杆不断转动，然后角度传感器不断采集，形成往复运动。总体控制图如图1：
图1总控制图
1.2 主控器的选择与论证
方案一：采用STC12C5A60S2。STC12C5A60S2芯片价格便宜，应用范围广，功能强大，高速运转，低功耗，强抗静电，强抗干扰，内部集成双串口、8路10bitADC和两路八位PWM；
方案二：采用STC89C52。STC89C52芯片价格便宜，应用范围广，但运转速度较慢，抗静电抗干扰较弱，内部无ADC；
方案一:采用FPGA作为系统主控器。FPGA规模大，集成度高，体积小,但价格高，编程实现难度大。
结合题目的要求，本系统选用方案一的单片机作为主控芯片。
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1.3 电机的选择与论证
方案一：采用步进电机。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失真; 步进电机的力矩会随转速的升高而下降; 且步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。
方案二：采用直流电机。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：RB-431舵机。 舵机体积紧凑，便于安装，输出力矩大，稳定性好，控制简单，便于和数字系统连接,而且可以360°旋转。正因为舵机有很多优点。所以现在不止用在航模运动中，已经扩展到很多的机电产品中。
鉴于设计要求，故采用方案三。
1.4 液晶显示屏的选择与论证
方案一：1602液晶显示屏。具有标准的接口特性，模块结构紧凑、轻巧、装配容易；低功耗、寿命长、可靠性高。
方案二：12864液晶显示屏。该点阵的屏显成本相对较低，适用于各类仪器，小型设备的显示领域。但液晶屏较大且是玻璃为基础的，跌落或与硬物撞击会引起液晶屏破裂或粉碎。
方案三：数码管。发光二极管属于电流敏感器件，其正向压降的分散性很大， 并且还与温度有关，即使是短时间的电流过载也可能对发光管造成永久性的损坏。
鉴于设计要求，故采用方案一。
1.5 轴承的选择与论证
方案一：心球轴承。心球轴承径向负荷能力大，适用于有重负荷、冲击负荷的情况。内圈内径是锥孔的轴承，可直接安装。适用于承受重载荷与冲击载荷、一般机械等。
方案二：调心滚子轴承。它能承受任一方向的轴向载荷。有高的径向载荷能力，主要适用于重载或振动载荷下工作，但不能承受纯轴向载荷。该类轴承外圈滚道是球面形，故其调心性能良好，能补偿同轴度误差。
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