2013年全国大学生电子设计竞赛论文模板
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牢。
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）
2013年9月7日
摘要
倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统。本组旋转倒立摆装置主要由底座、铜柱、支架、减速电机、%0.5电位器、stc12c5s60a2单片机开发板、12864液晶显示器、uln2803电机驱动器、5v稳压、11.4v电池组成。减速电机通过联轴器连接旋转臂一端，旋转臂另一端连接电位器，电位器主轴与硬质摆杆连接，通过电机使得旋转臂转动从而使得旋转臂另一端的硬质摆杆获得一个离心力在水平面内旋转，单片机的运算速度快，通过电位器获取硬质摆杆的摆动角度，通过PID算法提前矫正硬质摆杆的倾斜度从而使得硬质摆杆保持倒立
目录
1系统方案 (1)
1.1 单片机的论证与选择 (1)
1.2 电机的论证与选择 (1)
1.3 控制系统的论证与选择 (1)
1.4电机参数 (1)
2系统理论分析与计算 (2)
2.1 电路的分析的分析 (2)
2.3程序的设计。。。。。。。4
2.4 PID的设计5 3电路与程序设计 (6)
3.1电路的设计 (6)
4测试方案与测试结果 (7)
4.1测试方案 (7)
4.2 测试条件与仪器 (8)
4.3 测试结果及分析 (9)
附录2：源程序 (11)
简易旋转倒立摆及控制装置（C题）
【XX组】
1系统方案
本系统主要由STC12单片机模块、L298N电机驱动模块、电位器AD转换模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1 电机的论证与选择
方案一：步进电机。由于步进电机转动的速度不够快而且容易失步产生不能左右摆动的效果所以方案一不行。
方案二：舵机。由于舵机不能360度转动和转动速度太慢所以方案二不行。
方案三：直流减速电机。直流减速电机通过损失转速获得扭矩，比步进电机和舵机速度快而且不会失步，故选择直流减速电机。
综合以上三种方案，选择方案三。
1.2 单片机AD模块的论证与选择
方案一：单独。单独的AD模块是8位最大能显示360/256=1.4°精度达不到。
方案二：外接12位AD。精度过高占用单片机资源大，不好控制。
方案三：STC12单片机。自带10位AD高8位，低2位，精确度为360/1024=0.35°精确度可以达到要求。
综合以上三种方案，选择方案三。
1.3 控制系统的论证与选择
方案一：不用算法，直接用延时和电位器找区间在区间两边分别控制电机的正反转。电机来回抖动的厉害，无法保持平衡。
方案二：PID算法。PID是一个闭环控制算法，是在比例的基础上引入积分，消除微分作用，提高系统的稳定性，适用于控制通道时间常数或容量之后较大、控制要求较高的场合。其中增量式PID只需要连续3次采样计算误差，偏差值控制电机调速。控制模式固定，只需调节PID中的P和D参数，控制精度高。但pid参数整定复杂，不易掌握最佳的PID参数。
综合考虑采用方案二。
1.4电机参数
我们一开始就采用直流减速电机（JGA25-370-12V-646rpm），此电机电压范围是6~18V，重量约82g，通过单片机对电机进行零点校准，PWM和PID调速，来完成相关动作。
2系统理论分析与计算
2.1电路的分析
STC12单片机最小系统：
自带10位AD输出运算，STC12系列单片机的程序存储器比较大，接口丰富，扩展功能强，与51单片机完全兼容，编程简单，且运行速度快，
2.2电机驱动模块电路原理图
2.3程序的设计
1程序功能描述
1、程序功能描述
根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置，显示，和具有完成各个动作的功能。
1）键盘实现功能：（A）：这部分键盘实现的是完成不同的动作，以达到题
目的要求。
（B）：这部分键盘为了实现竖直方向的校准，或者零
点的校准，以达到弥补由于地势不平所带来的误
2）显示部分：这部分由12864液晶显示器构成，为了显示电位器输出的AD
值，然后通过AD值来控制电机。
图
2.4 PID的计算
sptr->SumError = 0;
sptr->LastError = 0; //Error[-1]
sptr->PrevError = 0; //Error[-2]
sptr->Proportion = 15; //比例常数 Proportional Const
sptr->Integral = 1.0; //积分常数Integral Const
sptr->Derivative = 1.35; //微分常数 Derivative Const
sptr->SetPoint = 716;
x=((GetADCResult(1)&0xc0)>>6)*256+(GetADCResult(1)&0x3f)*4+GetADCResultl(1) 3电路与程序设计
3.1电路的设计
图1
3.1系统总体框图
系统总体框图如图2所示
2、XXX子程序流程图
图2
4测试方案与测试结果
4.1测试方案
1、硬件测试
（1）让电机由自由下垂状态开始摆动，看能不能摆到+60度到—60度（2）看摆杆能否摆过一个圆周（3）让摆杆从165度开始看摆杆能否倒立10秒钟并且摆臂摆动不超过90度
2、软件仿真测试
4.2 测试条件与仪器
测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。
测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。
4.3 测试结果及分析
通过PID和模糊算法基本完成本题
附录2：源程序
附录2：源程序
附录2：源程序