简易旋转倒立摆及控制装置(C题)
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简易旋转倒立摆及控制装置（C 题 ）
摘要： 本系统以由 stc12 单片机作为中心控制系统， 由编码器模块、 电机驱动模块、 液晶显示模块、电源电路组成。角度监测模块采用采用双向编码器，实时测量摆 杆与垂直方向的夹角； 电机驱动部分使用 BTS7960 驱动芯片驱动直流电机较精确 地控制摆杆的灵敏度；人机交互界面采用 LCD 液晶 5110 显示摆杆的摆角，具有 操作简单，控制界面直观、简洁，系统性能指标达到了设计要求，工作可靠，功 耗低，具有良好的人机交互性能。 关键字：stc12 编码器 BTS7960 5110 显示器
BTS7960 drive 5110 displays
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一、 引言
本题目要求设计一个简易旋转倒立摆及其控制装置，它由三部分构成，系统 构成如图 1-1：①摆架系统：支架，摆杆，底座，平板，旋转臂，旋转臂连接摆 杆顶部固定在电机上； ②驱动控制系统： 单片机， 直流电机， 电机驱动器， 电源， 用以控制电机带动旋转臂转动；③检测系统：通过编码器检测出摆杆与垂直方向 的倾角，将数据传给单片机。
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3.35、PID 控制流程图
3.36、建模与控制方法分析：
当摆杆倒立是，摆杆旋转度数为 A，通过 x1 最高点向下面作垂线，与 Y1 相 交，此时 Y 与 Y1 的夹角就是旋转臂要旋转的角度 B。所以可得 A 与 B 的关系。 B X ∗ sinA = Y ∗ sin ( ) 2
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x B = 2arcsin ( ∗ sinA) y 此时 B 则是旋转臂要旋转的角度，当旋转臂迅速旋转角度 B 时，启动 PID 调 节，进而保持倒立。
二、 方案设计
自由摆控制系统的原理与组成 整个系统的工作流程：旋转倒立过程中，摆杆的角度变化经编码器检测后 转变为电压信号，再由信号调理电路进行比较，传入单片机，经单片机处理器对 这些数据进行实时处理， ，单片机经给定的控制算法计算出角度变化后，发出一 定占空比的 pwm 波，经电机驱动放大后控制直流电机的转动，进而电机带动旋转 臂转动完成摆杆的旋转和倒立。 2、方案论证与比较 考虑到电机带动旋转臂运动和摆杆的运动相互联系， 可以作为转轴的编码器 实时反馈得出任意时刻摆杆相对于垂直方向的角度，直接将其值发送至单片机， 从而控制电机转动相应角度而达到目的的运动。 现将各模块方案比较如下： 2、1 摆架框架的选择 方案一：采用木板做摆杆，材料方便，制作简单，质量较小，尽管在做旋转 运动时，空气阻力对其有影响，木质材料的摆杆较轻，可以适当的加点配重，增 加其惯性，更加方便电机对其旋摆随时的控制。
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三、 系统理论分析与计算
3.1 电机型号选择
由于本次设计要求电机灵敏性高，并且扭矩大，所以本次设计选择减速直流 电机。在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱，提供较低的转速，较大 的力矩。适合本次设计要求的扭矩大、动作快的要求。
3.2 摆杆状态检测
出于旋转要求的限制，通过导线将角度传感器固定在摆杆上的测试方法已经 不能满足要求了，本次设计采用了光电编码器，它是集成光—机—电为一体的数 字测角装置，主要是以高精度计量光栅为检测元件，通过光电转换，将轴的机械 角位移信息以 LED 光源为介质通过光栅码盘转换成相应的数字代码， 用他可以实 现角位移、角速度、和角加速度及其他物理量的精确测量,输出信号与计算机相 连接,不仅能够实现数字测量与数字控制,而且与其他同类用途的传感器相比， 具 有精度高、测量范围广、使用可靠、易于维护等优点。并且直接使用编码器的转 轴当作旋转接口，方便安装，通过编码器 AB 相位差可以计算出此时摆杆的旋转 方向。
3.3 算法控制
本次设计的算法是基于 PID 算法上进行的。 PID 是一个有比例(P)、 积分(I)、 微分(D)控制闭环控制算法 3.31、比例控制规律 P： 采用 P 控制规律能较快地克服扰动的影响，它的作用于输出值较快，但不能 很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有 余差出现。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参 数允许在一定范围内有余差的场合。如：金彪公用工程部下设的水泵房冷、热水 池水位控制；油泵房中间油罐油位控制等。 3.32、比例积分控制规律(PI)： 在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能在比例的 基础上消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许 有余差的场合。如：在主线窑头重油换向室中 F1401 到 F1419 号枪的重油流量控 制系统；油泵房供油管流量控制系统；退火窑各区温度调节系统等。 3.33、比例微分控制规律(PD)： 微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在 微分项设置得当的情况下， 对于提高系统的动态性能指标， 有着显著效果。 因此， 对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小 动态偏差等可选用比例微分控制规律。如：加热型温度控制、成分控制。需要说 明一点，对于那些纯滞后较大的区域里，微分项是无能为力，而在测量信号有噪 声或周期性振动的系统，则也不宜采用微分控制。如：大窑玻璃液位的控制。 3.34、例积分微分控制规律(PID)： PID 控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以 消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常 数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。如温度控制、成分控制等。
四、 电路与程序设计
4.1 电路的设计
4.1.1 系统总体框图 根据题目的要求，经过仔细分析，充分考虑各种因素，制定了整体设计方案 以 51 单片机 stc12 为控制芯片，完成四个方面的功能：系统总体框图如下图：
图2
系统总体框图
4.1.2 主控制器模块设计 电路图如下，我们选用 stc12c5a60s2 主控单片机，通过 stc12 单片机的 2 路 pwm 输出调节电机驱动，通过 lcd 显示器显示摆杆的角度，通过按键切换不同 的模式。
图1
结构总体框图
根据系统要求，需要进行系统硬件电路的设计、制作以及调试，软件系统 的开发和算法的实现。应重点进行一Hale Waihona Puke Baidu几方面的工作： 1、 确定系统的构成。系统主要包括两部分，一是基于旋转倒立摆的支架 系统； 二是单片机和电机的控制系统。 2、选择合适的处理器设计主控板，完成传感器、信号调理、电机驱动模块 等搭建测控系统的硬件电路设计。 3、根据实际硬件平台进行算法研究和软件编写，实现各模块功能。 4、对传感器进行调试，进行误差分析，提高测控系统的准确度。
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图 3 最小系统模块电路图
4.1.3 角度检测模块 本次设计角度检测采用的是光电编码器，通过光电转换将输出轴上的机械几 何位移量转换成脉冲或数字量， 通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数再加上 编码器的线数，可以计算到角度，此外码盘提供相位相差 90º的两路脉冲信号可 以得出旋转的方向。
图 4 编码器
4.1.4 电机驱动模块 本次采用 BTS7960 模块， 该模块电路采用两片 BTS7960 半桥芯片构成全 H 桥， 采用 1 路 PWM 控制，经过反相器输给两片 BTS7960。最大电流 43A，最大 PWM 频 率 25KHz。响应速度快，过流量大。
Digest：
This system by stc12 single chip microcomputer as the central control system, by the encoder module, motor drive module, liquid crystal display module, power supply circuit. Point of view, the real time monitoring module adopts the bidirectional encoder measuring Angle of swinging rod and the vertical direction; Motor drive part use BTS7960 driver chip driven dc motor accurately control the sensitivity of swinging rod; The human-computer interaction interface adopts LCD liquid crystal display of swinging Angle of swinging rod of 5110, with the features of simple operation, intuitive control interface, concise, system performance index has reached the design requirements, reliable operation, low power consumption, has the good man-machine interactive performance. Key words: stc12 encoder
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方案二：采用碳纤维杆做摆杆，相对于木质材料来说，碳纤维杆较细，表面 光滑，质量与木质材料不差上下，如加以配重，重心偏移比木质材料大，很不方 便电机对其方向随时控制。 为更好保持稳定，减少系统本身可能导致的误差，综合以上两种方案，选择 方案一。 2、2 驱动电机的选择 方案一：采用直流减速电机，直流减速电机，即齿轮减速电机，是在普通直 流电机的基础上， 加上配套齿轮减速箱。 齿轮减速箱的作用是， 提供较低的转速， 较大的力矩。同时，齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。 方案二：采用步进电机，步进电机能够通过给定的脉冲周期，实现任意速度 的转动，定矩运动较精确。但是灵活性低，且转速慢。在此高灵活控制情况下难 以满足要求。 考虑到灵活性和精确度，综合以上两种方案，选择方案一。 2、3 角度传感器的选择 方案一：采用单轴倾角传感器，它的最大刷新率为 20ms,能够检测出垂直倾 角，即在能以最大 50Hz 的采样频率把角度值反馈给单片机。但是在摆杆做周旋 转的情况下，导线严重的影响了摆杆的旋转，并且导线在旋转的情况下可能会引 起一系列的后果。 方案二：采用编码器作为角度传感器，双向编码器可以测出旋转角度及其运 动方向，只需一个编码器直接安装在旋转臂的一端，编码器的转轴连接摆杆，代 替了转轴的制作，安装方便。 考虑到题目要求摆杆的旋转，同时要有较高的灵活性，且不能影响摆杆的运 动，综合以上两种方案，选择方案二。 2、4 直流电机驱动的选择 方案一：采用 L298 驱动，L298N 是 ST 公司生产的一种高电压、大电流电机驱 动芯片，内含两个 H 桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机 和步进电动机，但本次设计电机扭力要求较大，L298N 驱动电机正反转的时候会 过热。 方案二： 采用 BTS7960 驱动， 本驱动器注重电机启动速度， 有效发挥电机功率， 能承受大电流过载，电容电压均为 25V，具有的刹车功能可迅速将电机刹住，刹 车迅速，制动明显，实现此效果简单容易操作。 考虑到本设计要求电机快速启动， 迅速反转， 综合以上两种方案， 选择方案二。 2、5 显示器的选择 方案一：采用 LCD1602 液晶显示器，LCD1602 是工业字符型液晶，能够同时 显示 16x02 即 32 个字符。 （16 列 2 行）每位之间有一个点距的间隔，每行之间 也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示 图形（用自定义 CGRAM，显示效果也不好） 。并且占用较多的 I/O 口。 方案二：采用 LCD 5110 液晶显示器，Nokia/诺基亚 5110 LCD 是 NOKIA 公 司生产的可用于其 5110 、 6150 ， 6100 等系列移动电话的液晶显示模块， 84x48 的点阵 LCD，可以显示 4 行汉字，采用串行接口与主处理器进行通信， 接口信号线数量大幅度减少，传输速率高达 4Mbps，可全速写入显示数据，无等 待时间。 综合以上两种方案，选择方案二。
摘要： 本系统以由 stc12 单片机作为中心控制系统， 由编码器模块、 电机驱动模块、 液晶显示模块、电源电路组成。角度监测模块采用采用双向编码器，实时测量摆 杆与垂直方向的夹角； 电机驱动部分使用 BTS7960 驱动芯片驱动直流电机较精确 地控制摆杆的灵敏度；人机交互界面采用 LCD 液晶 5110 显示摆杆的摆角，具有 操作简单，控制界面直观、简洁，系统性能指标达到了设计要求，工作可靠，功 耗低，具有良好的人机交互性能。 关键字：stc12 编码器 BTS7960 5110 显示器
BTS7960 drive 5110 displays
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一、 引言
本题目要求设计一个简易旋转倒立摆及其控制装置，它由三部分构成，系统 构成如图 1-1：①摆架系统：支架，摆杆，底座，平板，旋转臂，旋转臂连接摆 杆顶部固定在电机上； ②驱动控制系统： 单片机， 直流电机， 电机驱动器， 电源， 用以控制电机带动旋转臂转动；③检测系统：通过编码器检测出摆杆与垂直方向 的倾角，将数据传给单片机。
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3.35、PID 控制流程图
3.36、建模与控制方法分析：
当摆杆倒立是，摆杆旋转度数为 A，通过 x1 最高点向下面作垂线，与 Y1 相 交，此时 Y 与 Y1 的夹角就是旋转臂要旋转的角度 B。所以可得 A 与 B 的关系。 B X ∗ sinA = Y ∗ sin ( ) 2
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x B = 2arcsin ( ∗ sinA) y 此时 B 则是旋转臂要旋转的角度，当旋转臂迅速旋转角度 B 时，启动 PID 调 节，进而保持倒立。
二、 方案设计
自由摆控制系统的原理与组成 整个系统的工作流程：旋转倒立过程中，摆杆的角度变化经编码器检测后 转变为电压信号，再由信号调理电路进行比较，传入单片机，经单片机处理器对 这些数据进行实时处理， ，单片机经给定的控制算法计算出角度变化后，发出一 定占空比的 pwm 波，经电机驱动放大后控制直流电机的转动，进而电机带动旋转 臂转动完成摆杆的旋转和倒立。 2、方案论证与比较 考虑到电机带动旋转臂运动和摆杆的运动相互联系， 可以作为转轴的编码器 实时反馈得出任意时刻摆杆相对于垂直方向的角度，直接将其值发送至单片机， 从而控制电机转动相应角度而达到目的的运动。 现将各模块方案比较如下： 2、1 摆架框架的选择 方案一：采用木板做摆杆，材料方便，制作简单，质量较小，尽管在做旋转 运动时，空气阻力对其有影响，木质材料的摆杆较轻，可以适当的加点配重，增 加其惯性，更加方便电机对其旋摆随时的控制。
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三、 系统理论分析与计算
3.1 电机型号选择
由于本次设计要求电机灵敏性高，并且扭矩大，所以本次设计选择减速直流 电机。在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱，提供较低的转速，较大 的力矩。适合本次设计要求的扭矩大、动作快的要求。
3.2 摆杆状态检测
出于旋转要求的限制，通过导线将角度传感器固定在摆杆上的测试方法已经 不能满足要求了，本次设计采用了光电编码器，它是集成光—机—电为一体的数 字测角装置，主要是以高精度计量光栅为检测元件，通过光电转换，将轴的机械 角位移信息以 LED 光源为介质通过光栅码盘转换成相应的数字代码， 用他可以实 现角位移、角速度、和角加速度及其他物理量的精确测量,输出信号与计算机相 连接,不仅能够实现数字测量与数字控制,而且与其他同类用途的传感器相比， 具 有精度高、测量范围广、使用可靠、易于维护等优点。并且直接使用编码器的转 轴当作旋转接口，方便安装，通过编码器 AB 相位差可以计算出此时摆杆的旋转 方向。
3.3 算法控制
本次设计的算法是基于 PID 算法上进行的。 PID 是一个有比例(P)、 积分(I)、 微分(D)控制闭环控制算法 3.31、比例控制规律 P： 采用 P 控制规律能较快地克服扰动的影响，它的作用于输出值较快，但不能 很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有 余差出现。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参 数允许在一定范围内有余差的场合。如：金彪公用工程部下设的水泵房冷、热水 池水位控制；油泵房中间油罐油位控制等。 3.32、比例积分控制规律(PI)： 在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能在比例的 基础上消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许 有余差的场合。如：在主线窑头重油换向室中 F1401 到 F1419 号枪的重油流量控 制系统；油泵房供油管流量控制系统；退火窑各区温度调节系统等。 3.33、比例微分控制规律(PD)： 微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在 微分项设置得当的情况下， 对于提高系统的动态性能指标， 有着显著效果。 因此， 对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小 动态偏差等可选用比例微分控制规律。如：加热型温度控制、成分控制。需要说 明一点，对于那些纯滞后较大的区域里，微分项是无能为力，而在测量信号有噪 声或周期性振动的系统，则也不宜采用微分控制。如：大窑玻璃液位的控制。 3.34、例积分微分控制规律(PID)： PID 控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以 消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常 数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。如温度控制、成分控制等。
四、 电路与程序设计
4.1 电路的设计
4.1.1 系统总体框图 根据题目的要求，经过仔细分析，充分考虑各种因素，制定了整体设计方案 以 51 单片机 stc12 为控制芯片，完成四个方面的功能：系统总体框图如下图：
图2
系统总体框图
4.1.2 主控制器模块设计 电路图如下，我们选用 stc12c5a60s2 主控单片机，通过 stc12 单片机的 2 路 pwm 输出调节电机驱动，通过 lcd 显示器显示摆杆的角度，通过按键切换不同 的模式。
图1
结构总体框图
根据系统要求，需要进行系统硬件电路的设计、制作以及调试，软件系统 的开发和算法的实现。应重点进行一Hale Waihona Puke Baidu几方面的工作： 1、 确定系统的构成。系统主要包括两部分，一是基于旋转倒立摆的支架 系统； 二是单片机和电机的控制系统。 2、选择合适的处理器设计主控板，完成传感器、信号调理、电机驱动模块 等搭建测控系统的硬件电路设计。 3、根据实际硬件平台进行算法研究和软件编写，实现各模块功能。 4、对传感器进行调试，进行误差分析，提高测控系统的准确度。
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图 3 最小系统模块电路图
4.1.3 角度检测模块 本次设计角度检测采用的是光电编码器，通过光电转换将输出轴上的机械几 何位移量转换成脉冲或数字量， 通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数再加上 编码器的线数，可以计算到角度，此外码盘提供相位相差 90º的两路脉冲信号可 以得出旋转的方向。
图 4 编码器
4.1.4 电机驱动模块 本次采用 BTS7960 模块， 该模块电路采用两片 BTS7960 半桥芯片构成全 H 桥， 采用 1 路 PWM 控制，经过反相器输给两片 BTS7960。最大电流 43A，最大 PWM 频 率 25KHz。响应速度快，过流量大。
Digest：
This system by stc12 single chip microcomputer as the central control system, by the encoder module, motor drive module, liquid crystal display module, power supply circuit. Point of view, the real time monitoring module adopts the bidirectional encoder measuring Angle of swinging rod and the vertical direction; Motor drive part use BTS7960 driver chip driven dc motor accurately control the sensitivity of swinging rod; The human-computer interaction interface adopts LCD liquid crystal display of swinging Angle of swinging rod of 5110, with the features of simple operation, intuitive control interface, concise, system performance index has reached the design requirements, reliable operation, low power consumption, has the good man-machine interactive performance. Key words: stc12 encoder
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方案二：采用碳纤维杆做摆杆，相对于木质材料来说，碳纤维杆较细，表面 光滑，质量与木质材料不差上下，如加以配重，重心偏移比木质材料大，很不方 便电机对其方向随时控制。 为更好保持稳定，减少系统本身可能导致的误差，综合以上两种方案，选择 方案一。 2、2 驱动电机的选择 方案一：采用直流减速电机，直流减速电机，即齿轮减速电机，是在普通直 流电机的基础上， 加上配套齿轮减速箱。 齿轮减速箱的作用是， 提供较低的转速， 较大的力矩。同时，齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。 方案二：采用步进电机，步进电机能够通过给定的脉冲周期，实现任意速度 的转动，定矩运动较精确。但是灵活性低，且转速慢。在此高灵活控制情况下难 以满足要求。 考虑到灵活性和精确度，综合以上两种方案，选择方案一。 2、3 角度传感器的选择 方案一：采用单轴倾角传感器，它的最大刷新率为 20ms,能够检测出垂直倾 角，即在能以最大 50Hz 的采样频率把角度值反馈给单片机。但是在摆杆做周旋 转的情况下，导线严重的影响了摆杆的旋转，并且导线在旋转的情况下可能会引 起一系列的后果。 方案二：采用编码器作为角度传感器，双向编码器可以测出旋转角度及其运 动方向，只需一个编码器直接安装在旋转臂的一端，编码器的转轴连接摆杆，代 替了转轴的制作，安装方便。 考虑到题目要求摆杆的旋转，同时要有较高的灵活性，且不能影响摆杆的运 动，综合以上两种方案，选择方案二。 2、4 直流电机驱动的选择 方案一：采用 L298 驱动，L298N 是 ST 公司生产的一种高电压、大电流电机驱 动芯片，内含两个 H 桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机 和步进电动机，但本次设计电机扭力要求较大，L298N 驱动电机正反转的时候会 过热。 方案二： 采用 BTS7960 驱动， 本驱动器注重电机启动速度， 有效发挥电机功率， 能承受大电流过载，电容电压均为 25V，具有的刹车功能可迅速将电机刹住，刹 车迅速，制动明显，实现此效果简单容易操作。 考虑到本设计要求电机快速启动， 迅速反转， 综合以上两种方案， 选择方案二。 2、5 显示器的选择 方案一：采用 LCD1602 液晶显示器，LCD1602 是工业字符型液晶，能够同时 显示 16x02 即 32 个字符。 （16 列 2 行）每位之间有一个点距的间隔，每行之间 也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示 图形（用自定义 CGRAM，显示效果也不好） 。并且占用较多的 I/O 口。 方案二：采用 LCD 5110 液晶显示器，Nokia/诺基亚 5110 LCD 是 NOKIA 公 司生产的可用于其 5110 、 6150 ， 6100 等系列移动电话的液晶显示模块， 84x48 的点阵 LCD，可以显示 4 行汉字，采用串行接口与主处理器进行通信， 接口信号线数量大幅度减少，传输速率高达 4Mbps，可全速写入显示数据，无等 待时间。 综合以上两种方案，选择方案二。