基于单摆平衡控制系统设计【毕业论文】.doc

1、毕业论文 - 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 基于 单 摆 平衡 控制系统设计 学 院： 学生姓名： 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 - 基于 单 摆 平衡 控制系统设计 摘要 本设计使用飞思卡尔最小系统 MC9S12XS128 为核心。采用精密线性角度传感器对每一时刻的单摆的摆角进行实时监测，单摆来回摆动会带动电位器转动，使电位器的有效阻值发生变化，从而导致电位器反馈给单片机的电压发生变化，单片机根据这一变化量经过内部程序的分析处理，最后输出一 控制信号给电机驱动模块，使电机根据这一信号转过对应的角度 ，控制水平板的位置，由于步进电机的步进

2、角度比较大，容易使装置发生抖动，为此必须对步进电机进行细分。 将获取的信息反馈给最小系统MC9S12XS128。 MC9S12XS128 将读取到的信息进行分析处理，发出相应的指令对步进电机进行相应的控制。 为了提高步进电机的角度细分精确度 ，所以采用步进电机细分驱动芯片 TB6560AHQ，对最小系统输出的信号细分并且对其电流衰减，使得步进电机每进一步转过的角度细化到 0.1 ，使其转动时十分平稳，不至于出现大角度的抖动， 。 经 过测试 平台的调节震动大大降低 ，整个系统的稳定性和精确度都有一个较大的提高。 关键词 ： MC9S12XS128 单片机 ；角度传感器；步进电机 ； 信号细分器

3、 毕业论文 - ABSTRACT This design using minimum system as the core MC9S12XS128 free scale. The Angle sensor precision linear to every moment of the pendulum swinging Angle for real-time monitoring, single pendulum swing back and forth can drive potentiometer rotation of the effective resistance change po

4、tentiometer, leading to the potentiometer feedback to the single chip microcomputer voltage change, SCM according to the variation of the internal process through analysis, finally outputs a signal to the motor drive control module, make motor according to the signal from the point of view of the co

5、rresponding turned, control level the position of the board, because the step motor stepping Angle is bigger, easy to make device happen jitter, therefore, must the stepper motor subdivided. Will get information feedback to the minimum MC9S12XS128 system. MC9S12XS128 will read to analyzing the infor

6、mation processing, sends out the corresponding instruction for step motor for the corresponding control. In order to improve the step motor subdivision precision Angle, so the stepping motor subdivision driver TB6560AHQ chip, the minimum system output signal and the current subdivision attenuation,

7、and makes the stepping motor further refinement of every turn Angle to 0.1 , the current attenuation combined with its Angle refinement, make its turns very smooth, not appear large Angle dithering,. After the adjustment of the test platform to greatly reduce the vibration, the whole system stabilit

8、y and precision has a large improvement. 毕业论文 - 目录 第 1 章 绪论 . 7 1.1 系统框架设计总方案 . 7 1.2 系统组成模块方案 . 8 1.2.1 电机模块 . 8 1.2.2 控制器模块 . 8 1.2.3 电机驱动方案 . 9 1.2.4 电源模块 . 9 1.2.5 角度传感器模块 . 9 第 2 章 系统硬件 单元的电路设计 . 10 2.1 控制器单元电路设计 . 10 2.2 电源单元电路设计 . 11 2.3 电机驱动电路设计 . 12 2.4 角度传感器模块 . 15 2.5 液晶显示模块 . 16 第 3 章 理论

9、分析与计算 . 18 3.1 建立模型与控制方法 . 18 3.2 算法分析 . 18 3.3 角度变化产生的误差： . 19 3.4 测 试结果与分析 . 19 第 4 章 系统软件设计 . 22 4. 1 程序功能描述与设计思路 . 22 4. 1.1、程序功能描述 . 22 4.1.2、程序设计思路 . 22 4.2 主程序流程图 . 22 第 5 章 软件开发工具、制作调试过程 . 24 5.1 软件开发工具 . 24 5.2 PCB 板制作 . 24 5.3 元器件焊接 . 26 毕业论文 - 5.4 电路的调试 . 26 5.5 硬件结构组装 . 26 5.6 软件系统编写调试 .

10、 26 结论： . 27 鸣谢： . 27 参考文献 . 28 附录 A 实物图 . 29 附录 B 系统程序： . 31 毕业论文 - 前言 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 1国内外研究动态 自动平衡控制系统 ,主要特点是系统在垂直方向的角度分析了水平位移或为控制对象 ,使其控制在一定的范围内。在实际中所见到的重心在未来控制系统、保护是一种自平衡控制系统。本文提出的平衡控制系统有以下主要特点 :与传统系统的平衡、负载运行状态和变化 ;负荷本身具有生理调节功能 ;系统不但保持静力平衡 ,保持动态平衡运动。这些特性最终决定了复杂的控制系统 ,系统的稳定性 来解决考虑各种控制理

11、论和控制方法 ,特别是应用先进的控制理论，自动平衡的研究成果是将为复杂的非线性和不确定性系统的稳定性控制提供一个技术支持，同时给于其它的研究有重要的参考作用，如两足行走机器人和火箭垂直度等自平衡控制系统。自动平衡的主要研究方向包括：系统力学分析和建模、控制理论和应用、控制技术和实施。可以从自动平衡小车运动的情况进行分析，在建立空间坐标系统，理论应用平衡状态，最终为系统模型的控制理论和控制方法有了很好的基础。状态反馈控制器是在平衡点附近对系统参数和模型的分析并计算证明是可控的，并运用线性控制 理论和系统仿真得到的一组状态反馈数据的基础上设计的。在证明系统不确定性和非线性时可以用参数模糊整定 PI

12、D 控制器，当系统运动状态变化时通过参数自整定跟踪系统的变化，这样达到系统的智能性，结果证明这是有效合理的。为了能对系统大范围的控制，通过对双回路模糊控制器跟传统的以误差和误差变化率为输入的二维模糊控制器的比较，采用双回路模糊控制器更能有效的体现系统的控制特点。为了使系统更好的稳定、可靠地运行，系统应设计特别的控制电路在硬件中，这样的电路应是高效合理的。为完成系统的有效稳定控制，计算、调整动态系数以输出误差函 数为依据，作用在控制器的输出上就可以很好的发挥系统的控制特点。还分别用 C、VB 和 MATLAB 语言编写了三种软件，这些软件的良好运行为完成对系统的控制提供了必不可少的分析和研究手段

13、。 对于一个控制系统来说， 稳定性是其重要特性，也是系统能够正常工作的首要条件。粗略地说，稳定性是指，由于扰动的作用使系统的工作状态发生变化，若经过一定的时间后能恢复到原来的平衡状态或其附近的容许邻域内，则称系统是稳定的；若随着时间的推移偏离原来的平衡状态愈来愈厉害，则称系统是不稳定的。不稳定的系统是没有什么工程价值的。 单片机方 面：中国使用单片机的历史只有短短的 30 年，在初始的短短五年时间里 发展极为迅速。单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其特别的独特的一些功能 ,这是另一些设备需要费大量的时间去做的 ,有些是再怎么努力也很难做。一个不太复杂的功能如果用美

14、国50 年代期间开发的 74 系列 ,或 60 年代的 CD4000 系列这些纯硬件来解决的话 ,电路就会是一个很大的PCB 板。但如果是用美国在 70 年代成功进入市场系列单片机 ,结果将是一个很大的区别。只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。之所 以现在占据软件主导的还是最低级的汇编语言，是因为单片机对于成本的要求很严格，单片机不想硬盘那样有很大的存储空间，也没有家庭电脑那样的 CPU，单片机只是二进制码以上的最低级语言。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十 K 的尺寸。二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和电脑时代

15、。有一类电脑是由显示器、主机、键盘、鼠标等器件等组成，这就是我们常指的个人计算机。还有一种我们都不是很懂的计算机，称为微控制器，就是把智能语言读写在机械的单片机上。通俗的讲，它的系统是一个集成电路，即 可进行简单运算和控制，而且由于体积小可以都藏在被控机械里面。它就像人类的大脑，如果大脑出了毛病则系统就瘫痪了。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使毕业论文 - 产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词 “智能型”。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等等。如智能型热水器，智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些

16、产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就出在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。 2.选题的依据 和意义 （ 1）本课题的设计，可以训练我综合运用所学知识解决实际问题的的能力，可以提高我科研和工程实践技能水平。同时还可以提高我的运算、识图与制图、程序编写、实验与调试、计算机信息资料检索、文字表达和自我组织等能力。 （ 2）本课题的设计，可以培养我的独立思考和独立工作的能力，同时进一步巩固和扩展所学的专业知识面，使我在今后的工作中能够较熟练运用科学的方法，消化并运用新的科研成果和新技术。 （ 3）本课题的设计成品有较好的性能，可以在许多领域广泛使用。经过本课题的设计

17、制作发现它在实际运用中的缺点和不足，在某种意 义上说能促进这些领域的飞速发展。 毕业论文 - 第 1章 绪论 1.1 系统框架设计总方案 本设计要求制作附着在自由摆上的平板控制系统，能够实现摆杆绕着转轴旋转时（小于等于 60）该平台能够保持稳定，而且还要使平台上面的硬币尽量不滑落。根据题意，确定了系统组成的基本框图如图 1-1 所示 图 1-1 系统组成基本框图 本系统是由控制器模块、电机模块、角度检测模块、显示模块、电源模块等组成。 如图 1-2 是一个单摆示意图。假设外界附加一扰动使该系统单摆由原平衡点 “ a ” 偏离到点 “ b ” 。当外力去掉后，摆在重力作用下，由点 “ b ” 回

18、到点 “ a ” ，并由于惯性作用，继续向前摆动，直到到达点 “ c ” 。随后，在阻尼作用下，摆围绕 “ a ” 点作衰减振荡，直到所有能量耗尽，摆最终停留在原平衡点 “ a ” 。就平衡点 “ a ” 而言，在干扰作用下，摆发生了偏离，但扰动消失后，经过一定的时间，摆能恢复到原来的平衡点。这样的平衡点 “ a ” 称为稳定的平衡点。 单摆摆动 角度传感器 MC9S12XS128微控制器 显示器显示 电动机转动调整角度 平板水平 TB6560AHQ 信号细分 毕业论文 - 如果让摆处于另一平衡点 “ d ” ，如图 1-2（ b ）所示。显然在扰动作用下，摆会离开平衡点 “ d ” ，这时，

19、即使扰动消失，无论经过多长时间，摆也不会回到原平衡点 “ d ” 。这种平衡点称为不稳定平衡点。 单摆的这种稳定概念（即无论扰动产生的初始偏差多大，只要扰动消失，系统最终总能回到原平衡点），可以推广至线性系统。而对于用非线性微分方程描述 的非线性系统，当扰动产生的初始偏差较小时，扰动消失后，系统可能能回到某一稳定的平衡点；但当扰动造成的初始偏差超过一定范围，即使扰动消失，无论经过多长时间，系统也未必能回到原来稳定的平衡点上。也就是说，线性系统的小范围稳定和大范围稳定是等价的；而非线性系统则不然。小范围稳定的非线性系统不一定大范围稳定。 1.2 系统组成模块方案 1.2.1 电机模块 电机模块的

20、选择是整个系统的核心所在，按照设计的要求，电机需要对平板处在不同位置时进行相应角度的转动，这需要很高的精确度，并且平板需要很高的制动性。 方案一：采用普通 直流电机。直流电机具有优良的调速特性 ,调速平滑、方便，调整范围广；对驱动芯片要求低，驱动简单而且工作稳定，但是直流电机的驱动电压与转速的关系受其负载影响很大，直流电机容易产生噪声，干扰电位器的电压采样，制精度上逊于步进电机。该设计不采用该方案。 方案二：采用步进电机。步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力。如果负载不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著特点是转换精度高。正转反转控制灵活。相比直流

21、电机的工作方式，步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。我们根据题目的要求选用了两相混合式步进电机，两相步进角一般为 1.8，根据设计的要求，我们将信号细分和电流衰减，使其步进角达到了 0.1，能够更好的运用在此系统中。 1.2.2 控制器模块 方案一：采用 CPLD（如 EPM7128LC84-15）作为核心运算控制器件。 CPLD 具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用 VHDL 语言进行编写开发。但 CPLD 在控制上较单片机有较大的劣势。而且开发成本比单片机高。此外，该方案具有较大的局限性

22、 ，如检测部分就要占用可编程逻辑器件的大部分资源，造成资源的浪费，而这一些对于相对较低档次的单片机来说都是很容易就能实现的。为了节约资源，综合性价比，该设计不采用该方案。 方案二：系统采用 TI 公司所生产的 MSO430F5438 单片机为主控制芯片，有比较丰富的资源，多个 8 位并行口其中有两个中断功能，内部集成 12 位的 ADC，强大的定时器，精密的比较器，大量的RAM 和 ROM，存储容量大的程序。 MSP430F5438 单片机的最小系统板可以满足大部分的系统要求，减小系统设计难度，提高系统测量精度，但我对此单片机不是很了 解，所以不用此方案。 方案三：采用 ATMEL 公司的 A

23、T89C51。 51 系列单片机软件编程自由度大，可实现各种控制算法和逻辑控制，技术方面也相对成熟。价格便宜，应用广泛，但是 89C51 需外接模数转换器来满足数据采样的要求，硬件接口复杂，高速 A/D 与低速单片机之间速度的不匹配，给编程带来一定的难题，也浪费 CPU 资源。另外 51 单片机需要仿真器来实现软硬件调试，较为烦琐。最重要的是其运算速度比较慢，可能无法适应该设计，所以该设计不采用该方案。 毕业论文 - 方案四：采用 MC9S12XS128 微控制器作为控制模块。 MC9S12XS128 系列产品满足了对设计灵活性和平台兼容性的需求，并在一系列电子平台上实现了可升级性、硬件和软件

24、可重用性、以及兼容性。S12XS 系列可以经济而又兼容地扩展至带 XGate 协处理器的 S12XE 系列单片机，从而削减了成本，并缩小了封装。 CPU 最高总线速度 40MHz ，具有 64KB、 128KB 和 256KB 闪存选项，均带有错误校正功能 ，带有 ECC 的 4KB 至 8KB Data Flash，用于实现数据或程序存储 ，可配置 8 、 10 或 12 位模数转换器（ ADC），转换时间 3 s ，带有 16-位计数器的、 8-通道定时器 ，出色的 EMC 及运行和停止省电模式 。 根据设计需要并结合我对 MC9S12XS128 微控制器的运用相对熟练，考虑性价比，同时，

25、MC9S12XS128 完全能够完成本次设计的要求，所以我们选择了该方案。 1.2.3 电机驱动方案 方案一：采用双极性晶体管 D772、 D882 构成的电机驱动电路。该电路结构简单，容易制作，但其压降比较大，而且功耗也很大，而且该方案还不可以对其信号细分和电流衰减，达到减震的目的。所以本设计不采用该方案。 方案二：东芝公司的 TB6560AHQ 二项步进电机专用驱动芯片，与 早期推出的 TB6560HQ 芯片相比，其性能有较高的提高，输出电流可达 3.5A，采用该芯片的驱动板在电路上，结构上使用了可靠性设计，在普通散热方式的情况下可稳定的工作在 3A 电流。完全可以驱动本设计中的步进电机。

26、同时该方案可以将信号细分和电流衰减，实现 0.1步距，使得平台控制十分平稳。所以，采用该方案。 1.2.4 电源模块 方案一：采用稳压芯片 LM7805 提供电源， LM7805 比较便宜并且比较稳定，单片机的电源由 LM7805提供比较稳定。 方案二：采用集成多路输出电源，一个集成块能提供多个电路的电源，电压稳定 。不过集成多路输出电源价格比较贵，再说互相之间有干扰。 1.2.5 角度传感器模块 角度传感器在这个系统中也起到了举足轻重的作用，反馈给控制模块的信息的准确度直接影响到系统的精确性，以下我们提出了几种方案。 方案一：三轴传感器与 WDY32Z-1 角位移传感器结合。 WDY32Z-

27、1 角位移传感器是根据转轴转动时输出端的电位会跟随着改变，单片机根据 A/D 转换后的信息对角度进行分析，灵敏度高。能够一定程度上弥补机械结构不稳定对三轴传感器数据采集的影响。但是两个角度传感器数据处理复杂，数据采集处理经常出现错误。所以本设计 不采用该方案。 方案二：采用 ADXL345 三轴传感器 ， ADXL345 非常适合移动设备应用。它可以在倾斜感测应用中测量静态重力加速度，还可以从运动或者振动中生成动态加速度。它的高分辨率（ 4mg/LSB）能够分辨仅为 0.25的倾角变化，但是由于本设计机械强度不够，影响三轴传感器采集到的数据的准确性。所以本设计不采用该方案。 方案三：采用 WDY32Z-1 角位移传感器。该传感器采集的数据稳定性很强，完全能够满足本设计的要求。 根据以上比较，综合低功耗、性价比，在本次设计上选用方案三。