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

目录

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

1.1 设计任务....................................................

1.2 基本要求................................................... 2主控制器件的论证与选择.............................................

2.1控制器选用 ..................................................

2.2控制系统方案选择 ............................................

2.3角度的获取模块论证与选择 ....................................

2.4步进电机及其驱动模块的选择 ..................................

2.5 AD/DA的选择 ................................................

3 系统的硬件设计.....................................................

3.1总体电路框图 ................................................ 图3-1 系统框图..................................... 错误!未定义书签。

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

3.2.1 STC89C52单片机最小系统...............................

3.2.2 PCF8591模块图如图3-2。............. 错误!未定义书签。

3.3.3 模块芯片TB6560AHQ原理图如图3-3。....................

3.3.4 供电电源............................................. 4系统软件总体设计框图.............................. 错误!未定义书签。

5 测试方案与测试结果.................................................

6 总结............................................................... 参考文献............................................................. 附录.................................................................

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