简易旋转倒立摆及控制装置论文

设计（论文）报告

简易旋转倒立摆及控制系统

（日  期）

摘   要

摘  要：本简易旋转倒立摆及控制系统采用STCC52单片机作为主控系统，2MA320作为电机驱动模块，STCC52单片机通过2MA320驱动模块驱动42H4218步进机，使步进机控制旋转臂转动进而带动摆杆运动。硬件部分主要包括STC12C5A60S2单片机最小系统，2MA320电机驱动电路，WDD35电位器，电源模块等。本设计主要运用STCC52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，使步进电机能够控制旋转臂运动。

Abstract: This simple rotary inverted pendulum and control system uses STCC52 MCU as the master system, 2MA320 as the motor drive module, STCC52 microcontroller through 2MA320 drive 42H4218 stepper driver module, the stepper motor control rotary arm rotation and thus promote the pendulum movement. Hardware part includes STC12C5A60S2 smallest single-chip system, 2MA320 motor drive circuit, WDD35 potentiometer, power supply module. The main use of this design STCC52 SCM 2 phase 4 wire stepper motor pulse signal generated by the microcontroller precise control of the stepper motor speed and angle of rotation of the stepper motor to control the arm movement.

关键词：STC单片机；L298N电机驱动芯片；传感器

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    2

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    3

4    系统软件设计    5

4.1    总体软件框图    5

4.2    各模块软件设计    6

5    系统调试与测试    10

5.1    测试仪器    10

5.2    测试指标    10

5.3    测试结果分析    11

6    设计总结    11

设计题目

设计任务与要求

设计任务

1、设计并制作一套简易倒立摆及其控制系统，其结构如图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固定在转轴臂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                         图1-2

设计要求

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）摆杆处于自然下垂状态，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;期间旋转臂的启动角度不大于90°。

2发挥部分

（1）从摆杆处于自然下垂转台开始，控制旋转臂作往复旋转运动，尽快使摆杆摆起倒立，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。

方案比较与论证

主控器的选择与论证

方案一：采用MSP430

方案二：采用STCC52

方案论证：方案一，MSP430芯片功能强大，高速运转，超低功耗，内部集成12位ADC等，但是430操作较为复杂，用作此题大部分功能得不到使用；方案二，STCC52芯片价格便宜，应用范围广，操作简单，外接AD后，可完全满足本设计要求。鉴于设计要求，故采用方案二。

电机的选择与论证

方案一：采用直流电机

方案二：采用步进电机

方案论证：方案一，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；方案二，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；鉴于设计要求，故采用方案二。

驱动模块的选择与论证

方案一：采用L298N芯片

方案二：采用2MA320集成驱动模块

方案论证：方案一，L298N芯片价格便宜，电路设计简单，驱动电流大但是功耗较高，驱动42系列电机时，芯片会发热；方案二，2MA320集成驱动，电路设计简单，具有电机噪声优化功能，可以通过拨码开关细分，细分1-128可选，易于实现系统硬件设计。本题目采用42H4812步进电机，鉴于设计要求，故采用方案二。

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STCC52完成对其他部分控制。本设计采用WDD35电位器对摆杆的转动角度的采集数据，通过STCC52单片机外接AD模块将数据送给单片机，单片机通过数据分析控制2MA320驱动电路，使步进机旋转保持摆杆的树立，用128液晶显示A/D的数据。总体框图如图3-1所示。

图3-1 总体框图

3.2单元电路设计

1、STCC52单片机最小系统

STCC52单片机最小系统P1^4口、P1^4口、P1^2、接2MA320驱动电流的输入口，单片机通过对2MA320的控制，使2MA320发出脉冲控制步进机；P2^3口、P2^4口、P2^5口接1602液晶，控制液晶显示A/D采集WDD35电位器传感器的数据，A/D转换是用单片机外接的ADC0809芯片实现。单片机最小系统如图3-2、3-3所示。

图3-2 最小系统

               图3-2    2MA320电机驱动

2、2MA320电机驱动

2MA320为专业的步进电机驱动器，供电电压DC12-36V,或AC12-24V，驱动电流0.3-2.0A,细分精度1-128细分可选，光隔离信号输入，具有电机噪声优化功能，可驱动2.0A相电流以下两相、四相混合式步进电机，具有20KHz斩波频率。

3、供电电源

供电电源采用JSH35-AS24集成电源模块

图3-3供电电源

4系统软件设计

4.1总体软件框图   

1、总体软件框图如图4-1所示。

图4-1 总体软件框图

4.2各模块软件设计

根据方案设计计划，该方案的基本软件模块分为步进电机转动模块，AD转换模块，128液晶显示模块。

    void _128initinal(void)   //128初始化

{

delay_50ms(2);

write_128com(0x30);

delay_50us(4);

 write_128com(0x30);

delay_50us(4);

write_128com(0x0f);

  delay_50us(4);

write_128com(0x01);

 delay_50us(240);         

write_128com(0x06);

   delay_50us(10);         

 }

void write_128com(uchar com) //128写命令

 {

 rw=0;

 rs=0;

 delay_50us(1);

 P0=com;

 e=1;

 delay_50us(10);

 e=0;

   delay_50us(2);

 }

void write_128dat(uchar dat)//128写数据

{

  rw=0;

  rs=1;

 delay_50us(1);

 P0=dat;

 e=1;

 delay_50us(10);

 e=0;

   delay_50us(2);

}

ADC转换程序

void  ADC ()

{

  TMOD=0x02;

  TH0=0x14;

  TL0=0x00;

  IE=0x82;

  TR0=1;

  OE=1;

  EOC=1;

  ST=1;

  CLK=1;

  SEG1=1;

  SEG2=1;

  SEG3=1;

  while(1)

  {

   ST=0;

   ST=1;

   ST=0;

   while(EOC==0);

   OE=1;

   Display_Result(P0);

   OE=0;

  }

}

void Timer0_INT() interrupt 1

{

CLK=!CLK;

}

5系统调试与测试

5.1测试仪器

1、数字万用表

2、量角器 

5.2测试指标

当WDD35电位器与水平方向有角度时，WDD35点位器会产生一个电压，STCC52单片机通过ADC0809模块采集WDD35电位器反馈的电压值。每个电压值对应一个角度，通过量角器测出角度，列出表格。如表格5-1所示。

表 5-1  

从表格5-1可得：倾角传感器与水平方向平行时，输出电压是2.5V；向左右与水平方向倾斜90度时，其电压的变化量为2V。由此可得（误差允许范围内）倾角传感器与水平方向的角度a与倾角传感器的电压变化量v的数学关系为：

v=a(1/45)

本设计采用2相四线的42H4812步进电机，4相8拍运行方式A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，对应一个脉冲信号，步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

    本设计把WDD35电位器固定在旋转臂上，与水平方向平行，当摆杆有一个角度时，STCC52单片机通过AD模块读取WDD35电位器电压值，就能精确控制步进电机的转动角度，使步进电机上的平板保持165°

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全部要求。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抖动问题，采用的方法是：通过A/D转换采集倾角传感器的数据，10个数据一组，然后取平均值。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］程国刚 《51单片机应用开发案例手册>北京：电子工业出版社，.

［2］郭天祥 . 《新概念51单片机C语言教程》电子工业出版社

［3］中华人民共和国.计算机软件保护条例［J/0L］.东方网