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

1 设计任务及要求 .................................................... 5

1.1 设计任务 .................................................... 5 1.2 基本要求 ................................................... 5 2主控制器件的论证与选择 ............................................ 6

2.1控制器选用 ................................................... 6 2.2控制系统方案选择 ............................................. 6 2.3角度的获取模块论证与选择 ..................................... 6 2.4步进电机及其驱动模块的选择 ................................... 7 2.5 AD/DA的选择 ................................................. 7 3 系统的硬件设计 .................................................... 7

3.1总体电路框图 ................................................. 7 图3-1 系统框图 ..................................................... 8

3.2系统电路与程序设计 ........................................... 9

3.2.1 STC89C52单片机最小系统 ................................ 9 3.2.2 PCF8591模块图如图3-2。 ............................... 10 3.3.3 模块芯片TB6560AHQ原理图如图3-3。 .................... 10 3.3.4 供电电源 .............................................. 11

4系统软件总体设计框图 ............................................. 13 5 测试方案与测试结果 ............................................... 13 6 总结 ............................................................. 15 参考文献 ........................................................... 16 附录 ............................................................... 17

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。 2.5 AD/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PCF8591 D/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。

图3-1 系统框图

3.2系统电路与程序设计

3.2.1 STC89C52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

3.2.2 PCF8591模块图如图3-2。

图3-2 PCF8591模块图

3.3.3 模块芯片TB6560AHQ原理图如图3-3。

3.3.4 供电电源

图3-3 模块芯片TB6560AHQ原理图

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。

图4-1 总体程序框图

5 测试方案与测试结果

测试结果（S）

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

;------------------------------------------------------------------------------

; This file is part of the C51 Compiler package

;------------------------------------------------------------------------------

; STARTUP.A51: This code is executed after processor reset. ;

; To translate this file use A51 with the following invocation: ;

; A51 STARTUP.A51 ;

; To link the modified STARTUP.OBJ file to your application use the following ; BL51 invocation: ;

; BL51 , STARTUP.OBJ ;

;------------------------------------------------------------------------------ ;

; User-defined Power-On Initialization of Memory ;

; With the following EQU statements the initialization of memory ; at processor reset can be defined: ;

; ; the absolute start-address of IDATA memory is always 0 IDATALEN EQU 80H ; the length of IDATA memory in bytes. ;

XDATASTART EQU 0H ; the absolute start-address of XDATA memory XDATALEN EQU 0H ; the length of XDATA memory in bytes. ;

PDATASTART EQU 0H ; the absolute start-address of PDATA memory PDATALEN EQU 0H ; the length of PDATA memory in bytes. ;

; Notes: The IDATA space overlaps physically the DATA and BIT areas of the ; 8051 CPU. At minimum the memory space occupied from the C51 ; run-time routines must be set to zero.

;------------------------------------------------------------------------------

;

; Reentrant Stack Initilization ;

; The following EQU statements define the stack pointer for reentrant ; functions and initialized it: ;

; Stack Space for reentrant functions in the SMALL model.

IBPSTACK EQU 0 ; set to 1 if small reentrant is used. IBPSTACKTOP EQU 0FFH+1 ; set top of stack to highest location+1. ;

; Stack Space for reentrant functions in the LARGE model.

XBPSTACK EQU 0 ; set to 1 if large reentrant is used. XBPSTACKTOP EQU 0FFFFH+1; set top of stack to highest location+1. ;

; Stack Space for reentrant functions in the COMPACT model.

PBPSTACK EQU 0 ; set to 1 if compact reentrant is used. PBPSTACKTOP EQU 0FFFFH+1; set top of stack to highest location+1. ;

;------------------------------------------------------------------------------ ;

; Page Definition for Using the Compact Model with 64 KByte xdata RAM ;

; The following EQU statements define the xdata page used for pdata ; variables. The EQU PPAGE must conform with the PPAGE control used ; in the linker invocation. ;

PPAGEENABLE EQU 0 ; set to 1 if pdata object are used. ;

PPAGE EQU 0 ; define PPAGE number. ;

PPAGE_SFR DATA 0A0H ; SFR that supplies uppermost address byte ; (most 8051 variants use P2 as uppermost address byte) ;

;------------------------------------------------------------------------------

; Standard SFR Symbols ACC DATA 0E0H B DATA 0F0H SP DATA 81H DPL DATA 82H DPH DATA 83H

NAME ?C_STARTUP

?C_C51STARTUP SEGMENT CODE ?STACK SEGMENT IDATA

RSEG ?STACK DS 1

EXTRN CODE (?C_START) PUBLIC ?C_STARTUP

CSEG AT 0 ?C_STARTUP: LJMP STARTUP1

RSEG ?C_C51STARTUP

STARTUP1:

IF IDATALEN 0

MOV R0,#IDATALEN - 1 CLR A IDATALOOP: MOV @R0,A

DJNZ R0,IDATALOOP ENDIF

IF XDATALEN 0

MOV DPTR,#XDATASTART MOV R7,#LOW (XDATALEN) IF (LOW (XDATALEN)) 0

MOV R6,#(HIGH (XDATALEN)) +1 ELSE

MOV R6,#HIGH (XDATALEN) ENDIF

CLR A

XDATALOOP: MOVX @DPTR,A INC DPTR

DJNZ R7,XDATALOOP DJNZ R6,XDATALOOP ENDIF

IF PPAGEENABLE 0

MOV PPAGE_SFR,#PPAGE ENDIF

IF PDATALEN 0

MOV R0,#LOW (PDATASTART) MOV R7,#LOW (PDATALEN) CLR A PDATALOOP: MOVX @R0,A INC R0

DJNZ R7,PDATALOOP ENDIF

IF IBPSTACK 0 EXTRN DATA (?C_IBP)

MOV ?C_IBP,#LOW IBPSTACKTOP ENDIF

IF XBPSTACK 0 EXTRN DATA (?C_XBP)

MOV ?C_XBP,#HIGH XBPSTACKTOP MOV ?C_XBP+1,#LOW XBPSTACKTOP ENDIF

IF PBPSTACK 0 EXTRN DATA (?C_PBP)

MOV ?C_PBP,#LOW PBPSTACKTOP ENDIF

MOV SP,#?STACK-1

; This code is required if you use L51_BANK.A51 with Banking Mode 4 ; EXTRN CODE (?B_SWITCH0)

; CALL ?B_SWITCH0 ; init bank mechanism to code bank 0 LJMP ?C_START

END 第二部分

/**********************************************************************************

* 标题: ************* DA-AD试验******************* *

/******************************主程*****************************************************/ 序

#include #include

#define PCF8591 0x90 //PCF8591 地址

//else IO

sbit LS138A=P2^2; sbit LS138B=P2^3; sbit LS138C=P2^4;

sbit first=P2^5; //按键1 模式1选择 sbit second=P2^6; //按键2 模式2选择 sbit third=P2^7; //按键3 模式3选择 sbit fouth=P3^0; //按键4 模式4选择 sbit fith=P3^1; //按键5 模式清零选择 sbit shi_neng=P1^0; // 使能控制位 sbit fang_xiang=P1^1;// 旋转方向控制位 sbit mai_chong=P1^2; // 脉冲控制位

//此表为 LED 的字模, 共阴数码管 0-9 - unsigned char code {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}; unsigned char AD_CHANNEL;

unsigned long xdata LedOut[8]; signed int D[32];

unsigned int ad=0,ad0=0; unsigned int ms15=0;

unsigned char i=0,a=0,b=0,c=0,e=0; unsigned char xiang; signed char n=0; unsigned int xx(); void round(); void system() {

TMOD=0x01;

TH0=(65535-2000)/256; TL0=(65535-2000)%256; IE=0x8a; IT0=0; TR0=1; }

Disp_Tab[] =

/******************************************************************* DAC 变换, 转化函数

*******************************************************************/ bit DACconversion(unsigned char sla,unsigned char c, unsigned char Val) {

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

*******************************************************************/ bit ISendByte(unsigned char sla,unsigned char c)

{

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

*******************************************************************/ unsigned char IRcvByte(unsigned char sla)

{ unsigned char c;

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(); //结束总线

return(c);

}

//******************************************************************/ main()

{

system();

shi_neng=0;

first=1;

second=1;

third=1;

fouth=1;

fith=1;

while(1)

{/********以下AD-DA处理*************/

switch(AD_CHANNEL)

{

case 0: ISendByte(PCF8591,0x41);

D[0]=IRcvByte(PCF8591)*2; //ADC0 模数转换1 放大2倍显示 break;

case 1: ISendByte(PCF8591,0x42);

D[1]=IRcvByte(PCF8591)*2; //ADC1 模数转换2

break;

case 2: ISendByte(PCF8591,0x43);

D[2]=IRcvByte(PCF8591)*2; //ADC2 模数转换3

break;

case 3: ISendByte(PCF8591,0x40);

D[3]=IRcvByte(PCF8591)*2; //ADC3 模数转换4

break;

case 4: DACconversion(PCF8591,0x40, D[4]/2); //DAC 数模转换

break;

}

// D[4]=400; //数字--->>模拟输出

D[4]=D[0]; // 把模拟输入采样的信号通过数模转换输出

if(++AD_CHANNEL>4) AD_CHANNEL=0;

ad=D[0]*10;

xiang=xx();

if(first==0)a=1,b=0,c=0,e=0;

if(second==0)b=1,a=0,c=0,e=0;

if(third==0)c=1,a=0,b=0,e=0;

if(fouth==0)e=1,a=0,b=0,c=0;

if(fith==0)a=0,b=0,c=0,e=0;

if(a==1)

{

if(xiang==0)

{

if(ad=4250)

n=1;

if(ad>=0&&ad

n=-1;

}

else n=0;

}

if(b==1)

{

if(xiang==0)

{

if(ad

n=-1;

if(ad>=ad0)

n=1;

}

else

round();

}

if(c==1)

{

if(ad>=2440&&ad

n=1;

if(ad>=2720&&ad

n=-1;

}

if(e==1)

{

if(ad

{

if(ad>=2380&&ad

n=1;

if(ad>=2720&&ad

n=-1;

}

else round();

}

ad0=ad;

/********以下将AD的值送到LED数码管显示*************/

LedOut[0]=Disp_Tab[D[0]%10000/1000];

LedOut[1]=Disp_Tab[D[0]%1000/100];

LedOut[2]=Disp_Tab[D[0]%100/10]|0x80;

LedOut[3]=Disp_Tab[D[0]%10];

}

unsigned int xx() //摆杆象限检测

{

unsigned char Q;

if(ad>20&&ad

{

Q=1;

}

else if(ad>1360&&ad

{

Q=2;

}

else if(ad>2380&&ad

{

Q=3;

}

else if(ad>2680&&ad

{

Q=4;

}

else if(ad>2980&&ad

{

Q=5;

}

else if(ad>4040&&ad

{

Q=6;

}

else Q=0;

return(Q);

}

void round() //状态检测及相应操作

{

if(ad>ad0&&xiang==6)

{

n=1;

}

else if(ad>ad0&&xiang==5)

{

n=1;

}

else if(ad

{

n=-1;

}

else if(ad>ad0&&xiang==3)

{

n=1;

}

else if(ad

{

n=-1;

}

else if(ad

{

n=-1;

}

else n=0;

}

void T0ZD(void) interrupt 1 using 2

{

TH0=(65535-2000)/256;//250us

TL0=(65535-2000)%256;

//us50++;

ms15++;

mai_chong=1;

P0 = LedOut[i];

switch(i) //使用switch 语句控制138译码器

{

case 0:LS138A=0; LS138B=0; LS138C=0; break;

case 1:LS138A=1; LS138B=0; LS138C=0; break;

case 2:LS138A=0; LS138B=1; LS138C=0; break;

case 3:LS138A=1; LS138B=1; LS138C=0; break;

case 4:LS138A=0; LS138B=0; LS138C=1; break;

case 5:LS138A=1; LS138B=0; LS138C=1; break;

case 6:LS138A=0; LS138B=1; LS138C=1; break;

case 7:LS138A=1; LS138B=1; LS138C=1; break;

}

if(++i>7) i=0;

if(ms15>5)

{

ms15=0;

if(n>0) //电机反转程序

{

fang_xiang=1;

mai_chong=0;

}

if(n

{

fang_xiang=0;

mai_chong=0;

}

if(n==0) //电机锁定程序

{

mai_chong=1;

}

第三部分

/*************************此部分为I2C总线的驱动程序，用来读取adda数据*************************************/

#include

#define NOP() _nop_() /* 定义空指令 */

#define _Nop() _nop_() /*定义空指令*/

sbit SCL=P2^1; //I2C 时钟

sbit SDA=P2^0; //I2C 数据

bit ack; /*应答标志位*/

/******************************************************************* 起动总线函数

函数原型: void Start_I2c();

功能: 启动I2C总线,即发送I2C起始条件.

********************************************************************/ void Start_I2c()

{

SDA=1; /*发送起始条件的数据信号*/

_Nop();

SCL=1;

_Nop(); /*起始条件建立时间大于4.7us,延时*/

_Nop();

SDA=0; /*发送起始信号*/

_Nop(); /* 起始条件锁定时间大于4μs*/

_Nop();

SCL=0; /*钳住I2C总线，准备发送或接收数据 */

_Nop();

}

/******************************************************************* 结束总线函数

函数原型: void Stop_I2c();

功能: 结束I2C总线,即发送I2C结束条件.

********************************************************************/ void Stop_I2c()

{

SDA=0; /*发送结束条件的数据信号*/

_Nop(); /*发送结束条件的时钟信号*/

SCL=1; /*结束条件建立时间大于4μs*/

_Nop();

SDA=1; /*发送I2C总线结束信号*/

_Nop();

}

/******************************************************************* 字节数据发送函数

函数原型: void SendByte(UCHAR c);

功能: 将数据c发送出去,可以是地址,也可以是数据,发完后等待应答,并对此状态位进行操作.(不应答或非应答都使ack=0)

发送数据正常，ack=1; ack=0表示被控器无应答或损坏。

********************************************************************/ void SendByte(unsigned char c)

{

unsigned char BitCnt;

for(BitCnt=0;BitCnt

{

if((c

else SDA=0;

_Nop();

SCL=1; /*置时钟线为高，通知被控器开始接收数据位*/ _Nop();

_Nop(); /*保证时钟高电平周期大于4μs*/

_Nop();

SCL=0;

}

_Nop();

SDA=1; /*8位发送完后释放数据线，准备接收应答位*/ _Nop();

_Nop();

SCL=1;

_Nop();

if(SDA==1)ack=0;

else ack=1; /*判断是否接收到应答信号*/

SCL=0;

_Nop();

}

/******************************************************************* 字节数据接收函数

函数原型: UCHAR RcvByte();

功能: 用来接收从器件传来的数据,并判断总线错误(不发应答信号)，发完后请用应答函数应答从机。

********************************************************************/ unsigned char RcvByte()

{

unsigned char retc;

unsigned char BitCnt;

retc=0;

/*置数据线为输入方式*/

for(BitCnt=0;BitCnt

{

SDA=1;

_Nop();

SCL=0; /*置时钟线为低，准备接收数据位*/ _Nop();

_Nop(); /*时钟低电平周期大于4.7μs*/ _Nop();

_Nop();

SCL=1; /*置时钟线为高使数据线上数据有效*/ _Nop();

_Nop();

retc=retc

if(SDA==1)retc=retc+1; /*读数据位,接收的数据位放入retc中 */ _Nop();

_Nop();

SCL=0;

_Nop();

}

return(retc);

}

/******************************************************************** 应答子函数

函数原型: void Ack_I2c(bit a);

功能: 主控器进行应答信号(可以是应答或非应答信号，由位参数a决定) ********************************************************************/ void Ack_I2c(bit a)

{

if(a==0)SDA=0; /*在此发出应答或非应答信号 */ else SDA=1;

_Nop();

SCL=1;

_Nop();

_Nop(); /*时钟低电平周期大于4μs*/

_Nop();

SCL=0; /*清时钟线，钳住I2C总线以便继续接收*/ _Nop();

_Nop(); }

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

关键词：简易旋转倒立摆

步进电机

单片机角度传感器

1 设计任务及要求 .................................................... 5

3.1总体电路框图 ................................................. 7 图3-1 系统框图 ..................................................... 8

3.2系统电路与程序设计 ........................................... 9

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

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；

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.

方案一：采用在面包板上搭建简易单片机系统

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

方案三：采用电位器作为角度传感器

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。

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。 2.5 AD/DA的选择

方案一：采用ADC0832

方案二：采用PCF8591

图3-1 系统框图

3.2系统电路与程序设计

3.2.1 STC89C52单片机最小系统

图3-4 最小系统

3.2.2 PCF8591模块图如图3-2。

图3-2 PCF8591模块图

3.3.3 模块芯片TB6560AHQ原理图如图3-3。

3.3.4 供电电源

图3-3 模块芯片TB6560AHQ原理图

图3-5 电源电路

4系统软件总体设计框图如图4-1所示。

图4-1 总体程序框图

5 测试方案与测试结果

测试结果（S）

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

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.

[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

;------------------------------------------------------------------------------

; This file is part of the C51 Compiler package

;------------------------------------------------------------------------------

; STARTUP.A51: This code is executed after processor reset. ;

; To translate this file use A51 with the following invocation: ;

; A51 STARTUP.A51 ;

; To link the modified STARTUP.OBJ file to your application use the following ; BL51 invocation: ;

; BL51 , STARTUP.OBJ ;

;------------------------------------------------------------------------------ ;

; User-defined Power-On Initialization of Memory ;

; With the following EQU statements the initialization of memory ; at processor reset can be defined: ;

; ; the absolute start-address of IDATA memory is always 0 IDATALEN EQU 80H ; the length of IDATA memory in bytes. ;

XDATASTART EQU 0H ; the absolute start-address of XDATA memory XDATALEN EQU 0H ; the length of XDATA memory in bytes. ;

PDATASTART EQU 0H ; the absolute start-address of PDATA memory PDATALEN EQU 0H ; the length of PDATA memory in bytes. ;

; Notes: The IDATA space overlaps physically the DATA and BIT areas of the ; 8051 CPU. At minimum the memory space occupied from the C51 ; run-time routines must be set to zero.

;------------------------------------------------------------------------------

;

; Reentrant Stack Initilization ;

; The following EQU statements define the stack pointer for reentrant ; functions and initialized it: ;

; Stack Space for reentrant functions in the SMALL model.

IBPSTACK EQU 0 ; set to 1 if small reentrant is used. IBPSTACKTOP EQU 0FFH+1 ; set top of stack to highest location+1. ;

; Stack Space for reentrant functions in the LARGE model.

XBPSTACK EQU 0 ; set to 1 if large reentrant is used. XBPSTACKTOP EQU 0FFFFH+1; set top of stack to highest location+1. ;

; Stack Space for reentrant functions in the COMPACT model.

PBPSTACK EQU 0 ; set to 1 if compact reentrant is used. PBPSTACKTOP EQU 0FFFFH+1; set top of stack to highest location+1. ;

;------------------------------------------------------------------------------ ;

; Page Definition for Using the Compact Model with 64 KByte xdata RAM ;

; The following EQU statements define the xdata page used for pdata ; variables. The EQU PPAGE must conform with the PPAGE control used ; in the linker invocation. ;

PPAGEENABLE EQU 0 ; set to 1 if pdata object are used. ;

PPAGE EQU 0 ; define PPAGE number. ;

PPAGE_SFR DATA 0A0H ; SFR that supplies uppermost address byte ; (most 8051 variants use P2 as uppermost address byte) ;

;------------------------------------------------------------------------------

; Standard SFR Symbols ACC DATA 0E0H B DATA 0F0H SP DATA 81H DPL DATA 82H DPH DATA 83H

NAME ?C_STARTUP

?C_C51STARTUP SEGMENT CODE ?STACK SEGMENT IDATA

RSEG ?STACK DS 1

EXTRN CODE (?C_START) PUBLIC ?C_STARTUP

CSEG AT 0 ?C_STARTUP: LJMP STARTUP1

RSEG ?C_C51STARTUP

STARTUP1:

IF IDATALEN 0

MOV R0,#IDATALEN - 1 CLR A IDATALOOP: MOV @R0,A

DJNZ R0,IDATALOOP ENDIF

IF XDATALEN 0

MOV DPTR,#XDATASTART MOV R7,#LOW (XDATALEN) IF (LOW (XDATALEN)) 0

MOV R6,#(HIGH (XDATALEN)) +1 ELSE

MOV R6,#HIGH (XDATALEN) ENDIF

CLR A

XDATALOOP: MOVX @DPTR,A INC DPTR

DJNZ R7,XDATALOOP DJNZ R6,XDATALOOP ENDIF

IF PPAGEENABLE 0

MOV PPAGE_SFR,#PPAGE ENDIF

IF PDATALEN 0

MOV R0,#LOW (PDATASTART) MOV R7,#LOW (PDATALEN) CLR A PDATALOOP: MOVX @R0,A INC R0

DJNZ R7,PDATALOOP ENDIF

IF IBPSTACK 0 EXTRN DATA (?C_IBP)

MOV ?C_IBP,#LOW IBPSTACKTOP ENDIF

IF XBPSTACK 0 EXTRN DATA (?C_XBP)

MOV ?C_XBP,#HIGH XBPSTACKTOP MOV ?C_XBP+1,#LOW XBPSTACKTOP ENDIF

IF PBPSTACK 0 EXTRN DATA (?C_PBP)

MOV ?C_PBP,#LOW PBPSTACKTOP ENDIF

MOV SP,#?STACK-1

; This code is required if you use L51_BANK.A51 with Banking Mode 4 ; EXTRN CODE (?B_SWITCH0)

; CALL ?B_SWITCH0 ; init bank mechanism to code bank 0 LJMP ?C_START

END 第二部分

/**********************************************************************************

* 标题: ************* DA-AD试验******************* *

/******************************主程*****************************************************/ 序

#include #include

#define PCF8591 0x90 //PCF8591 地址

//else IO

sbit LS138A=P2^2; sbit LS138B=P2^3; sbit LS138C=P2^4;

//此表为 LED 的字模, 共阴数码管 0-9 - unsigned char code {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}; unsigned char AD_CHANNEL;

unsigned long xdata LedOut[8]; signed int D[32];

unsigned int ad=0,ad0=0; unsigned int ms15=0;

unsigned char i=0,a=0,b=0,c=0,e=0; unsigned char xiang; signed char n=0; unsigned int xx(); void round(); void system() {

TMOD=0x01;

TH0=(65535-2000)/256; TL0=(65535-2000)%256; IE=0x8a; IT0=0; TR0=1; }

Disp_Tab[] =

/******************************************************************* DAC 变换, 转化函数

*******************************************************************/ bit DACconversion(unsigned char sla,unsigned char c, unsigned char Val) {

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

*******************************************************************/ bit ISendByte(unsigned char sla,unsigned char c)

{

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

*******************************************************************/ unsigned char IRcvByte(unsigned char sla)

{ unsigned char c;

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(); //结束总线

return(c);

}

//******************************************************************/ main()

{

system();

shi_neng=0;

first=1;

second=1;

third=1;

fouth=1;

fith=1;

while(1)

{/********以下AD-DA处理*************/

switch(AD_CHANNEL)

{

case 0: ISendByte(PCF8591,0x41);

D[0]=IRcvByte(PCF8591)*2; //ADC0 模数转换1 放大2倍显示 break;

case 1: ISendByte(PCF8591,0x42);

D[1]=IRcvByte(PCF8591)*2; //ADC1 模数转换2

break;

case 2: ISendByte(PCF8591,0x43);

D[2]=IRcvByte(PCF8591)*2; //ADC2 模数转换3

break;

case 3: ISendByte(PCF8591,0x40);

D[3]=IRcvByte(PCF8591)*2; //ADC3 模数转换4

break;

case 4: DACconversion(PCF8591,0x40, D[4]/2); //DAC 数模转换

break;

}

// D[4]=400; //数字--->>模拟输出

D[4]=D[0]; // 把模拟输入采样的信号通过数模转换输出

if(++AD_CHANNEL>4) AD_CHANNEL=0;

ad=D[0]*10;

xiang=xx();

if(first==0)a=1,b=0,c=0,e=0;

if(second==0)b=1,a=0,c=0,e=0;

if(third==0)c=1,a=0,b=0,e=0;

if(fouth==0)e=1,a=0,b=0,c=0;

if(fith==0)a=0,b=0,c=0,e=0;

if(a==1)

{

if(xiang==0)

{

if(ad=4250)

n=1;

if(ad>=0&&ad

n=-1;

}

else n=0;

}

if(b==1)

{

if(xiang==0)

{

if(ad

n=-1;

if(ad>=ad0)

n=1;

}

else

round();

}

if(c==1)

{

if(ad>=2440&&ad

n=1;

if(ad>=2720&&ad

n=-1;

}

if(e==1)

{

if(ad

{

if(ad>=2380&&ad

n=1;

if(ad>=2720&&ad

n=-1;

}

else round();

}

ad0=ad;

/********以下将AD的值送到LED数码管显示*************/

LedOut[0]=Disp_Tab[D[0]%10000/1000];

LedOut[1]=Disp_Tab[D[0]%1000/100];

LedOut[2]=Disp_Tab[D[0]%100/10]|0x80;

LedOut[3]=Disp_Tab[D[0]%10];

}

unsigned int xx() //摆杆象限检测

{

unsigned char Q;

if(ad>20&&ad

{

Q=1;

}

else if(ad>1360&&ad

{

Q=2;

}

else if(ad>2380&&ad

{

Q=3;

}

else if(ad>2680&&ad

{

Q=4;

}

else if(ad>2980&&ad

{

Q=5;

}

else if(ad>4040&&ad

{

Q=6;

}

else Q=0;

return(Q);

}

void round() //状态检测及相应操作

{

if(ad>ad0&&xiang==6)

{

n=1;

}

else if(ad>ad0&&xiang==5)

{

n=1;

}

else if(ad

{

n=-1;

}

else if(ad>ad0&&xiang==3)

{

n=1;

}

else if(ad

{

n=-1;

}

else if(ad

{

n=-1;

}

else n=0;

}

void T0ZD(void) interrupt 1 using 2

{

TH0=(65535-2000)/256;//250us

TL0=(65535-2000)%256;

//us50++;

ms15++;

mai_chong=1;

P0 = LedOut[i];

switch(i) //使用switch 语句控制138译码器

{

case 0:LS138A=0; LS138B=0; LS138C=0; break;

case 1:LS138A=1; LS138B=0; LS138C=0; break;

case 2:LS138A=0; LS138B=1; LS138C=0; break;

case 3:LS138A=1; LS138B=1; LS138C=0; break;

case 4:LS138A=0; LS138B=0; LS138C=1; break;

case 5:LS138A=1; LS138B=0; LS138C=1; break;

case 6:LS138A=0; LS138B=1; LS138C=1; break;

case 7:LS138A=1; LS138B=1; LS138C=1; break;

}

if(++i>7) i=0;

if(ms15>5)

{

ms15=0;

if(n>0) //电机反转程序

{

fang_xiang=1;

mai_chong=0;

}

if(n

{

fang_xiang=0;

mai_chong=0;

}

if(n==0) //电机锁定程序

{

mai_chong=1;

}

第三部分

/*************************此部分为I2C总线的驱动程序，用来读取adda数据*************************************/

#include

#define NOP() _nop_() /* 定义空指令 */

#define _Nop() _nop_() /*定义空指令*/

sbit SCL=P2^1; //I2C 时钟

sbit SDA=P2^0; //I2C 数据

bit ack; /*应答标志位*/

/******************************************************************* 起动总线函数

函数原型: void Start_I2c();

功能: 启动I2C总线,即发送I2C起始条件.

********************************************************************/ void Start_I2c()

{

SDA=1; /*发送起始条件的数据信号*/

_Nop();

SCL=1;

_Nop(); /*起始条件建立时间大于4.7us,延时*/

_Nop();

SDA=0; /*发送起始信号*/

_Nop(); /* 起始条件锁定时间大于4μs*/

_Nop();

SCL=0; /*钳住I2C总线，准备发送或接收数据 */

_Nop();

}

/******************************************************************* 结束总线函数

函数原型: void Stop_I2c();

功能: 结束I2C总线,即发送I2C结束条件.

********************************************************************/ void Stop_I2c()

{

SDA=0; /*发送结束条件的数据信号*/

_Nop(); /*发送结束条件的时钟信号*/

SCL=1; /*结束条件建立时间大于4μs*/

_Nop();

SDA=1; /*发送I2C总线结束信号*/

_Nop();

}

/******************************************************************* 字节数据发送函数

函数原型: void SendByte(UCHAR c);

功能: 将数据c发送出去,可以是地址,也可以是数据,发完后等待应答,并对此状态位进行操作.(不应答或非应答都使ack=0)

发送数据正常，ack=1; ack=0表示被控器无应答或损坏。

********************************************************************/ void SendByte(unsigned char c)

{

unsigned char BitCnt;

for(BitCnt=0;BitCnt

{

if((c

else SDA=0;

_Nop();

SCL=1; /*置时钟线为高，通知被控器开始接收数据位*/ _Nop();

_Nop(); /*保证时钟高电平周期大于4μs*/

_Nop();

SCL=0;

}

_Nop();

SDA=1; /*8位发送完后释放数据线，准备接收应答位*/ _Nop();

_Nop();

SCL=1;

_Nop();

if(SDA==1)ack=0;

else ack=1; /*判断是否接收到应答信号*/

SCL=0;

_Nop();

}

/******************************************************************* 字节数据接收函数

函数原型: UCHAR RcvByte();

功能: 用来接收从器件传来的数据,并判断总线错误(不发应答信号)，发完后请用应答函数应答从机。

********************************************************************/ unsigned char RcvByte()

{

unsigned char retc;

unsigned char BitCnt;

retc=0;

/*置数据线为输入方式*/

for(BitCnt=0;BitCnt

{

SDA=1;

_Nop();

SCL=0; /*置时钟线为低，准备接收数据位*/ _Nop();

_Nop(); /*时钟低电平周期大于4.7μs*/ _Nop();

_Nop();

SCL=1; /*置时钟线为高使数据线上数据有效*/ _Nop();

_Nop();

retc=retc

if(SDA==1)retc=retc+1; /*读数据位,接收的数据位放入retc中 */ _Nop();

_Nop();

SCL=0;

_Nop();

}

return(retc);

}

/******************************************************************** 应答子函数

函数原型: void Ack_I2c(bit a);

功能: 主控器进行应答信号(可以是应答或非应答信号，由位参数a决定) ********************************************************************/ void Ack_I2c(bit a)

{

if(a==0)SDA=0; /*在此发出应答或非应答信号 */ else SDA=1;

_Nop();

SCL=1;

_Nop();

_Nop(); /*时钟低电平周期大于4μs*/

_Nop();

SCL=0; /*清时钟线，钳住I2C总线以便继续接收*/ _Nop();

_Nop(); }

简易旋转倒立摆及控制装置

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