全国电子设计大赛旋转倒立摆

第一章系统方案比较与选择..............................................................

1.1总实现方案.....................................................................

1.2主控制器方案比较与选择........................................................

第二章理论分析与计算...................................................................

2.1编码器脉冲转换角度设计........................................................

2.2摇摆及圆周算法设计............................................................

2.3机械结构设计及电机选型........................................................

2.4 PID算法设计...................................................................

第三章系统电路设计........................................................................

3.1系统主板工作原理..............................................................

第四章系统程序设计.....................................................................

4.1系统总体模块图.................................................................

4.2系统总流程图...................................................................

第五章系统测试与结果........................................................................

5.1 传感器角度测试..............................................................

5.2摇摆及圆周运动测试............................................................

5.3倒立摆测试.....................................................................

第六章误差分析.........................................................................

6.1 整体的误差分析..............................................................

6.2软件引起的算法误差分析........................................................

第七章参赛感悟.........................................................................

摘要

本设计综合考虑基础部分和发挥部分要点，采用mega128a为主控芯片, BTS7960驱动电机并在程序中涉及到pid算法对电机进行调控，在设计中，我们采用1000线编码器为角度传感器。在该简单控制装置中，我们实现了摆动，圆周运动和短时间的自动控制下的倒立。

关键字：倒立摆，mega128a编码器

第一章系统方案比较与选择

1.1总实现方案

方案一：用陀螺仪和加速度计通过卡尔曼数据融合得到角度，用此处的角度为载体用单

片机进行数据处理，并调整电机。

方案二：用电位器做角度传感，通过单片机自带ADC来读取电位数值以此为依据来判断角度，并调整电机。

方案三：用编码器做角度传感器，通过读取编码器的输出脉冲来计算角度传感器的输出角度，用此角度做处理调整电机。

通过对两个方案的对比选择，方案一中的加速度计和陀螺仪算法实现复杂，我们在融入卡尔曼滤波后有明显滤波效果，但是由于圆周运动，会使得各个方向轴返回的数据出错，且波动大，会减弱卡尔曼的滤波效果，对于pid的精准调整还是远远达不到预期。在方案二中，考虑到电位器内部结构问题，虽然理论上电位器在转动过程中是线性的，但是考虑到每次停靠的电阻位可能会产生误差，最

后考虑到我们最终选定的单片机ADC只有10位，在方案三中，由于实现编码器的功能实现方便简单，并能更多的趋近于精确值，因此最后我们采用了方案三。

1.2主控制器方案比较与选择

为了完成在短时间快速采集并计算角度，主控器件必须有较高的CPU工作频率和存储空间。

方案一：采用51系列加强型STC12C5A60S作为主控器件，用来实现题目所要求的各种功能。此方案最大的特点是系统规模可以做得很小，成本较低。操作控制简单。但是，我们在利用单片机处理高速信号快速扫描及电机控制时显得吃力，51系列单片机很难实现这一要求。

方案二：采用ATMEL公司的AVR系列ATMEGA128单片机为核心控制器件，MEGA128AT 8个外部中断，中断系统丰富，并且有128K字节的系统内可编程Flash，我们对它的性能和指标相对也较为熟悉，如此能够实现快速扫描和数据处理！

按照题目的要求，综合考虑我们最终选择了方案二，采用ATMEGA128单片

机为核心控制器件。