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 (5)
1.1 设计任务 (5)
1.2 基本要求 (5)
2主控制器件的论证与选择 (6)
2.1控制器选用 (6)
2.2控制系统方案选择 (6)
2.3角度的获取模块论证与选择 (6)
2.4步进电机及其驱动模块的选择 (7)
2.5 AD/DA的选择 (7)
3 系统的硬件设计 (7)
3.1总体电路框图 (7)
图3-1 系统框图 (8)
3.2系统电路与程序设计 (9)
3.2.1 STC89C52单片机最小系统 (9)
3.2.2 PCF8591模块图如图3-2。 (10)
3.3.3 模块芯片TB6560AHQ原理图如图3-3。 (10)
3.3.4 供电电源 (11)
4系统软件总体设计框图 (13)
5 测试方案与测试结果 (13)
6 总结 (15)
参考文献 (16)
附录 (17)
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，非常适合本系统的设计。
综上所述，我们选择方案三。
2.3角度的获取模块论证与选择
方案一：采用加速度传感器
加速度传感器采用模拟量输出，需要放大电路及A/D完成角度的测量，测量精度高，但是摆杆上不易安装重物，且不易固定。
方案二：采用增量式光电旋转编码器
光电旋转编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲。旋转编码器具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。但是旋转编码器安装较为不便，增加了系统硬件电路设计的工作量。
方案三：采用电位器作为角度传感器
简易旋转倒立摆系统的角度测量也可采用可变电阻器。精密的可变电阻器具易获得、重复性高、分辨率高、高频响应特性好、易使用等特点。且电位器传感器结构简单，体积小，价格低廉，受环境因素影响小，性能稳定。
综合以上三种方案微调电位器可以很好地达到我们的要求，角度有效范围载33.3度左右，由于本课题精度不高，考虑带经济性和灵活性，我们选择方案三。
2.4步进电机及其驱动模块的选择
方案一：采用直流减速电机，转速较低,反应速度慢,但是驱动模块简单。
方案二：采用型号为57 步进电机，为两相四线步进电机，它的步距角仅为 1.8°，扭矩为0.50N/m，有较高的空载启动频率，在十六细分后能实现0.225°的步距角能够满足本系统的控制要求，驱动电路较复杂，用42/57专用驱动模块TB6560AHQ驱动，能满足要求，而驱动L298N模块功率较小，无法满足要求，易造成失步。
最终选定的步进电机为57步进电机，驱动电路模块选用TB6560AHQ模块。
2.5 AD/DA的选择
方案一：采用ADC0832
ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度慢且稳定性能较差，而且占用I/O口多。
方案二：采用PCF8591
PCF8591具有I2C总线结构的多通道8bits的逐次逼近型ADC和一个内置8bits 单通道ADC，功能多，速度超快，功耗低，单电源供电，串行输入输出，节约I/O口资源，并能在一个处理系统中外接多个PCF8591，能进行更多更强的处理。
综上，从各方面考虑，我们选择方案二。
3 系统的硬件设计
3.1总体电路框图
为了使系统能够实现各种复杂的控制功能，本设计采用一种功能强大的、高速低功耗性价比高的单片机STC89C52完成对其他部分控制。本设计采用SV01A103AEA01R00 旋转角度传感器（旋转电位器）对摆杆的倾斜角度进行数据采集，通过PCF8591 D/A转换芯片将数据送入单片机，单片机通过数据分析控制TB6560AHQ驱动电路，进而控制步进电机使步进机旋转达到设定的位置，用数码管显示A/D的数据。总体框图如图3-1所示。
