下载文档原格式
全国电子设计大赛论文集团标准化办公室：[VV986T-J682P28-JP266L8-68PNN]2015年全国大学生电子大赛设计竞赛风力摆控制系统（B题）【本科组】参赛队号：20150262风力摆控制系统（B题）摘要风力摆系统是非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统，是机器人技术、控制理论、计算机控制等多个领域、多种技术的有机结合。
本设计分五个模块，即风力摆模块、单片机控制模块、显示模块、电源模块、人机交互模块。
风力摆模块由三个直流风机成等边三角形相对而立，成为驱动风力摆的唯一动力。
单片机控制模块以飞思卡尔K60芯片作为控制核心。
显示模块有两个，一个是OLED显示屏，另一个是当完成每项任务时发光二极管会有明显的提示。
电源模块使用LEG-1117-3.3和TPS7350来搭建，给系统提供稳定的供电。
人机交互模块中每项操作可通过拨码开关与按键完成。
本设计性能指标达到设计要求，性能稳定，用户界面友好。
关键词：直流风机；风力摆；K60系统板ABSTRACTThewindpendulumsystemisanonlinear,strongcoupling,multi-variableandunstablesystem.Itisacombinationofmanyfields,suchasrobotics ,controltheory,computercontrol,andmanyothertechnologies.Thedesignisdi videdintofivemodules，thewindpendulummodule,single-chipmicrocomputercontrolmodule,displaymodule,powermodule,human-computerinteractionsystem.WindpendulummodulebythreeDCfanintoanequilat eraltrianglerelativestanding,becometheonlypowerwinddrivenpendulum;MCU controlmodulebasedonthesinglechipcomputerasthecore,byCarlK60chipasthe controlcore;displaymodulehastwo:AisOLEDdisplay,theotheraiswheneachtas kiscompleteLEG-1117-3.3andTPS7350tobuild,toprovideastablepowersupplysystem.Eachoperationc anbedonebydialingthecodeswitchandthebutton.Performanceindicatorsmeett hedesignrequirements,theworkisreliable,userfriendlyinterface. Keywords:DCfan,Thewindpendulum,K60目录摘要 (I)ABSTRACT (I)目录 (II)1.引言.................................................. (1)2.方案比较与论证......................................................... (1)2.1方案比较................................................................... (1)2.2方案选定................................................................... (2)2.3方案论证................................................................... (2)3.系统硬件设计......................................................... . (2)3.1系统机械制作................................................................... .. (2)3.2核心系统控制模块................................................................... (2)3.3电源模块................................................................... (3)4.系统软件设计......................................................... . (3)4.1程序框图................................................................... (3)4.2系统控制图................................................................... .. (4)5.测试方案与测试结果......................................................... . (4)5.1测试仪器................................................................... (4)5.2测试方法................................................................... . (4)5.3测试结果................................................................... (5)6.测试分析与总结......................................................... . (6)参考文献......................................................... (6)附录1装置机械安装图................................................................... . (7)附录2主要元器件清单................................................................... .. (8)1.引言在控制理论发展的过程中，某一理论的正确性及实际应用中的可行性需要一个按其理论设计的控制器去控制一个典型对象来验证。
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6日摘要本系统采用XS128单片机最小系统作为控制中心、与电机驱动模块，减速直流电机、旋转臂、摆杆、反馈装置一起构成摆杆角度和电机角速度的双闭环调速系统。
由于直流电机属于一阶惯性，经分析在控制周期远小于电机时间常数的情况下建立电压与加速度的近似比例关系模型。
选择减速直流电机带动旋转臂旋转，采用增量式旋转编码器测量摆杆的角度，单片机输出占空比可变的PWM波控制电机角加速度，从而控制电机的加速度和给摆杆固定轴心的扭矩，实现控制摆杆的摆动幅度并达到和保持平衡状态。
控制方式采用PID控制，比例环节进行快速响应，积分环节实现无静差，微分环节减小超调，加快动态响应。
从而使该系统具有良好的性能，能很好的实现起振、圆周运动、倒立、360度倒立旋转，同时具有很好的抗扰动性能。
关键词：XS128 直流电机加速度倒立平衡目录1系统方案 (1)1.1 角度传感器模块的论证与选择 (1)1.2电机的论证与选择 (1)1.3 电机驱动模块的论证与选择 (1)2理论分析与计算 (2)2.1 机械结构设计的分析 (2)2.1.1 摆杆 (2)2.1.2 底座 (2)2.2电机物理模型的分析与计算 (2)2.2.1 直流电机的机械特性 (2)2.2.2 直流电机的动态特性分析 (2)2.2.3 直流电机加速度分析与计算 (3)2.3摆杆运动状态的分析及控制思路 (4)2.3.1摆杆起振 (4)2.3.2摆杆做圆周运动 (4)2.3.3摆杆达到倒立平衡状态 (4)2.4 摆杆控制量的分析与计算 (4)2.4.1 摆杆起振状态分析 (4)2.4.2 摆杆进入开始调整倒立平衡的角度范围 (5)3电路与程序设计 (6)3.1电路的设计 (6)3.1.1系统总体框图 (6)3.1.2 系统电路原理图 (6)3.1.3 电机驱动模块的电路设计 (6)3.2程序的设计 (7)3.2.1程序功能描述与设计思路 (7)3.2.2程序流程图 (7)4测试方案与测试结果 (11)4.1测试方案 (11)4.2 测试条件与仪器 (11)4.3 测试结果及分析 (11)4.3.1测试结果(数据) (11)4.3.2测试分析与结论 (12)5总结 (12)附件1：系统电路原理图 (14)附件2：电机控制源程序 (15)简易旋转倒立摆及控制装置（C题）【本科组】1系统方案本系统主要由主控模块、角度传感器模块、机械结构模块、电源模块等几部分组成，下面分别论证这几个模块的选择。
2015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6日目录1系统方案 (2)1.1电机及驱动方案的论证与选择 (2)1.2传感器采集模块的论证与选择 (2)1.3 控制系统的论证与选择 (2)2系统理论分析与计算 (3)2.1 XXXX的分析 (3)2.1.1 XXX (3)2.1.2 XXX (3)2.1.3 XXX (3)2.2 XXXX的计算 (3)2.2.1 XXX (3)2.2.2 XXX (3)2.2.3 XXX (3)2.3 XXXX的计算 (3)2.3.1 XXX (3)2.3.2 XXX (3)2.3.3 XXX (3)3电路与程序设计 (3)3.1电路的设计 (3)3.1.1系统总体框图 (3)3.1.2 XXXX子系统框图与电路原理图 (4)3.1.3 XXXX子系统框图与电路原理图 (4)3.1.4电源 (4)3.2程序的设计 (4)3.2.1程序功能描述与设计思路 (4)3.2.2程序流程图 (5)4测试方案与测试结果 (5)4.1测试方案 (5)4.2 测试条件与仪器 (5)4.3 测试结果及分析 (6)4.3.1测试结果(数据) (6)4.3.2测试分析与结论 (6)附录1：电路原理图 (7)附录2：源程序 (8)简易旋转倒立摆及控制装置（C题）【本科组】1系统方案本系统主要由电机及驱动模块、传感器采集模块、控制器模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1电机及驱动方案的论证与选择方案一：42BY系列混合式步进电机+LN298驱动方案此方案在最先想到以及调试的方案，用步进电机的有点就是正反转切换迅速，无堵转现象，转矩大，负载能力强。
但是42BY系列混合式步进电机响应一拍最小周期为2ms，此时处于电机为最大转速，执行周期长，也就造成系统控制周期长，但是本系统要求调节周期短（我们最终方案采用的是2ms），能够在极短时间内实现一个调节过程，故此方案不能达到预期的效果。
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：设计并制作了一个基于P ID 控制的倒立摆系统。
选用低功耗单片机AT89C51 、减速电机、电位器等器件，完成基本功能。
以单片机控制减速电机转速，改变摆杆转角θ，并保证让摆杆在同一平面内做圆周运动，最终使摆杆达到倒立（在规定的-165 °至165°范围内）稳定状态。
关键字： AT89C51 单片机；减速电机；电位器Abstract ：Designed and produced an inverted pendulum system based on PID control. Choose low power single chip microcomputerAT89C51, gear motor, potentiometer, such as device, complete the basic functions. With single-chip microcomputer control deceleration motor speed, change the swinging rod Angle theta, and ensure that the swinging rod is circular motion in the same plane, eventually make the swinging rod upside down (in the rules - 165 to 165 ) s°teady state.Keywords: AT89C51 、 Gear motor 、 potentiometer目录序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.5 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯............. ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 61系统方案 (7)1.1系统结构 (8)1.2方案的比较和选择 (10)1.2.1电机的论证与选择 (10)1.2.2 电机驱动的论证与选择⋯⋯⋯⋯..... ⋯⋯⋯11 1.2.3速度控制.. (12)2理论分析与计算 (13)2.1电动机选型 (13)2.2摆杆状态检测 (15)2.3驱动与控制算法 (19)3电路与程序设计 (23)3.1 ......................................................... 电路的设计 (23)3.1.1控制部分用51单片机 (23)3.1.2硬件部分 (24)3.1.3 软件部分 (24)3.1.4部分器件原理 (25)3.2 ......................................................... 程序结构与设计.. (26)4设计小结 (30)5参考资料 (32)倒立摆系统是理想的自动控制教学实验设备，使用它能全方位的满足自动控制教学的要求。
倒立摆控制器的设计与研究摘要倒立摆系统是非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统，是机器人技术、控制理论、计算机控制等多个领域、多种技术的有机结合。
在控制过程中，它能有效地反映诸如可镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪等许多控制中的关键问题，是检验各种控制理论的理想模型。
控制器的设计是倒立摆系统的核心内容。
目前典型的控制器设计理论有PID控制、根轨迹以及频率响应法、状态空间法、最优控制理论等。
本文详细介绍了一级倒立摆系统的控制器设计过程，首先概述了倒立摆系统的数学模型，其次，分别采用PID控制算法和状态空间极点配置法对倒立摆系统进行了控制器设计。
在设计控制器的过程中，采用Matlab软件对控制系统进行编程仿真，并用M文件以及Simulink工具箱对所采用的设计方法进行仿真。
仿真结果验证了算法的有效性，同时表明采用状态空间极点配置法所设计的控制器能够同时控制摆杆的角度以及小车的位置，较经典的PID控制算法好。
关键词：倒立摆；PID控制；极点配置；状态空间DESIGN AND RESEARCH OF INVERTED PENDELUMABSTRACTInverted Pendulum is a nonlinear, coupling, variable and natural unsteadiness system, which includes robot technology, control theory, computer control and so on. During the control process, pendulum can effectively reflect many pivotal problems such as equanimity, robust, follow-up and track. Therefore, it is a perfect model used to testing various control theories.The design of controller is a main work of pendulum system. At present, the methods of controller design include: PID control, root locus and frequency respond, state-space method, optimal control theory and so on.The process of a controller design for the first-level inverted pendulum system is introduced.In this paper, a PID control and a pole assignment with state-space design are proposed.The Matlab software is used to carring out a program and simulation in the process of the controller design. The M-file and simulink tool box are applied, and the result shows that these methods are effective. Form this paper, the controller designed by pole assignment with state-space is able to control the angle of pendulum bar and the location of handcart at the same time. The simulation shows that the method of state-space is better than traditional PID control algorithm.Key words:Inverted pendulum; PID control; Pole assignment; State-space第1章绪论1.1 引言杂技顶杆表演之所以为人们熟悉，不仅是其技术的精湛引人入胜，更重要的是其物理本质与控制系统的稳定性密切相关。
河北省大学生校园“挑战杯”竞赛作品申报表旋转倒立摆及控制装置设计与总结报告目录1 系统方案 (2)1.1主控系统选择 (3)1.2电机选择 (3)1.3电机控制系统选择 (3)1.4角度传感模块选择 (3)2理论分析与计算 (4)2.1系统组成 (4)2.2电机控制系统 (5)2.2摆杆状态检测 (6)2.3 驱动与控制算法 (5)3 测试方案与测试结果 (6)3.1 测试仪器 (6)3.2测试方法 (6)3.3测试数据 (7)4 参考文献 (7)5 附录 (8)附1：部分元器件清单 (8)附2：仪器设备清单 (8)附 3：部分程序清单 (8)摘要：倒立摆是典型的快速、多变量、非线性、强耦合、自然不稳定系统。
一级倒立摆系统由于其本身是自不稳定系统，实验建模存在一定困难，所以采用PID控制算法。
通过角度传感器反馈的不同角度，判断摆杆的位置，采用闭环控制系统控制摆杆的摆动。
本系统采用ATMEGA32 AVR单片机，BTS7960 驱动直流大功率电机。
要想使摆杆更快、更稳的倒立，调节Ki、Kp、Kd参数是关键。
经测试，系统基本完成了全部要求。
关键词: 倒立摆光电传感器单片机电机驱动 PIDAbstractnverted pendulum is a typical model of multi variable, nonlinear,strong coupling, naturally unstable system. Inverted pendulum system because of its own since the unstable system, the experimental model has certain difficulty, so the PID control algorithm. Through the different angle sensor feedback, judgethe pendulum rod position, closed loop control system to controlthe swing of the swing rod by. The system uses ATMEGA32microcontroller AVR, BTS7960 drive DC motor with large power.Inverted pendulum to make faster, more stable, regulation of Ki,Kp, Kd is the key. After the test, system has basically completedall requirements.Keywords:Inverted Pendulum Photoelectric Sensor SCM Motor Driver PID1．系统方案1.1主控系统选择方案一：采用高性能嵌入式系统，比如ARM。
直线一级倒立摆控制方法研究毕业论文目录前言 (1)第1章倒立摆系统 (2)1.1 倒立摆的简介 (2)1.2 倒立摆的分类 (3)1.3 倒立摆的特性 (5)1.4 控制器的设计方法 (6)1.5 倒立摆系统研究的背景及意义 (6)1.6 直线倒立摆控制系统硬件框图 (8)第2章倒立摆的数学模型 (9)2.1 数学模型概述 (9)2.2 拉格朗日建模法 (9)2.3 倒立摆系统参数 (11)2.4 实际数学模型 (12)第3章MATLAB工具软件 (13)3.1 MATLAB简介 (13)3.2 SIMULINK仿真 (14)3.3 SIMULINK仿真建模方法 (15)第4章PID控制 (17)4.1 PID控制简述 (17)4.2 国内外的研究现状和发展趋势 (18)4.3 PID控制器设计 (20)4.4 PID控制器参数的整定 (21)第5章直线一级倒立摆的PID控制 (22)5.1 直线一级倒立摆的PID控制Simulink仿真 (22)5.2 直线一级倒立摆的PID仿真程序 (25)5.3 直线一级倒立摆的PID实时控制 (26)第6章直线一级倒立摆LQR控制 (29)6.1 线性二次最优控制LQR基本原理及分析 (29)6.2 LQR控制参数调节及仿真 (30)6.3 直线一级倒立摆LQR控制simulink仿真 (32)6.4 直线一级倒立摆LQR控制 (34)结论 (37)谢辞 (38)参考文献 (39)附录 (41)外文资料翻译 (45)MATLAB (45)MATLAB简介 (51)前言倒立摆是进行控制理论研究的典型实验平台。
由于倒立摆系统的控制策略和杂技运动员顶杆平衡表演的技巧有异曲同工之处，极富趣味性，而且许多抽象的控制理论概念如系统稳定性、可控性和系统抗干扰能力等等，都可以通过倒立摆系统实验直观的表现出来，因此在欧美发达国家的高等院校，它已成为必备的控制理论教学实验设备]2[。
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）【1101003组】2013年9月7日简易旋转倒立摆及控制装置（C题）摘要本系统采用自制的简易旋转倒立摆及控制装置，以16 位单片机(STC89C51)作为旋转倒立摆的检测和控制核心，以额定电压12V的步进电机驱动，通过加速度传感器（ADXL345）转变的角度传感器测定摆杆角度变化来定位摆杆的位置。
系统采用角度传感器（ADXL345）探测在摆杆保持倒立状态的前提下，旋转臂作圆周运动前进；同时通过编码器及PID控制算法实现了步进电机的转速和转向进行调节，以准确找到平衡点位置。
控制器的设计是倒立摆系统的核心内容，主要用到典型的控制器设计理论有PID控制、根轨迹以及频率响应法、状态空间法、最优控制理论等。
本系统可在较短时间内完成摆杆从自然下垂状态，驱动电机带动旋转臂作往复旋转使摆杆摆动，寻找平衡点等任务。
关键词:角度传感器；旋转倒立摆；模糊控制；最优控制理论；目录1系统方案......................................................................................... 错误！未定义书签。
1.1电机方案的论证与选择 (1)1.2 控制系统方案的论证与选择 (2)1.3 角度测量方案的论证与选择 (2)2系统理论分析与计算 (2)2.1 角度检测模块的分析 (2)2.2 控制方法的理论 (3)2.3 设计思想理论分析 (4)2.4 理论计算 (4)3电路与程序设计 (6)3.1电路的设计 (6)3.1.1系统总体框图 (6)3.1.2 电机驱动模块设计 (7)3.1.3 角度传感器模块 (7)3.1.4电源模块 (7)3.2程序的设计 (7)3.2.1程序功能描述与设计思路 (7)3.2.2程序流程图 (8)4测试方案与测试结果 (8)4.1硬件测试 (8)4.2 测试条件与仪器 (9)4.3 测试结果 (9)4.3.1不同脉冲时间间隔对应速度测试 (9)4.3.2摆杆达到指定高度往复运动的时间测试 (10)4.3.3摆杆达到指定度数的测试 (10)4.3.4摆杆选择和配重平衡测试 (10)4.3.5摆杆完成圆周运动测试 (11)4.3.6基本功能（3）测试 (11)4.3.7测试分析与结论 (12)5结束语 (12)6参考文献 (12)附录1：电路原理图 (13)附录2：电机驱动原理图 (14)附录3：稳压模块原理图 (15)附录4：主程序 (16)附录5：角度传感器子程序 (18)简易旋转倒立摆及控制装置（C 题）【本科组】1系统方案本系统主要由系统模块、角度检测模块、电机驱动模块、电源模块组成。
摘要本文介绍了以AVR mega328P单片机为控制核心，通过编码器得到系统变量，应用PID控制算法，步进电机调速对环形倒立摆进行控制，实现了倒立摆在一定的角度范围内动态倒立以及圆周运动。
同时可以通过键盘设定运行模式并且读出系统当前状态，具有较好人机界面。
经测试，本系统完成了题目所要求的各项基本指标，并达到了全部的发挥部分要求。
关键词：AVR mega328P 环形倒立摆 PIDAbstractThis paper introduces the AVR mega328P microcontroller core, obtained by the encoder system variables, the application of PID control algorithm, the stepper motor speed on the annular inverted pendulum control, to achieve the inverted pendulum in a certain range of angles and circular motion dynamic inverted . You can also set the operating mode via the keyboard and read the current state of the system and has good man-machine interface. After testing, the system completed all the required questions basic indicators, and reached all play a part requirements.Keywords: AVR mega328P annular inverted pendulum PID目录第一章系统方案论证与选择 (1)1.1系统结构 (1)1.2方案比较与选择 (1)1.2.1芯片控制模块 (1)1.2.2电机选择 (2)1.2.3电动机驱动调速模块 (2)1.2.4编码器选择 (3)1.2.5显示方案选择 (3)第二章理论分析与计算 (4)2.1 电动机选型 (4)2.2摆杆状态检测 (5)2.3驱动与控制算法 (7)2.3.1驱动 (7)2.3.2控制算法 (8)第三章机械与电路及程序设计 (9)3.1机械设计 (9)3.1.1 旋转臂杆与摆杆 (9)3.2电路设计 (9)3.2.1电源电路设计 (9)3.2.2电机驱动电路设计 (10)3.2.3键盘显示电路设计 (10)3.3程序结构设计 (12)第四章测试结果与分析 (15)第五章参考文献 (17)附录 A 主要元器件明细表 (18)附录 B 电路原理图 (19)附录 C 电路PCB图及实物图 (20)附录 D 系统设计程序代码 (23)第一章系统方案论证与选择1.1系统结构整个系统分为系统模块、编码器模块、电机驱动模块、电机模块、电源模块、键盘模块、显示模块。
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日简易旋转倒立摆及控制装置摘要倒立摆系统是非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统。
本设计采用42BYJ250—40的5V驱动2相4线制的步进电机制作了一个简易旋转倒立摆控制系统，用WDD35电位器采集摆杆摆动过程中的角度数据，反馈给微控制器MC9S12XS，由微控制器经PID控制算法处理后输出PWM波（脉冲），驱动步进电机正反转，从而带动摆杆摆动。
系统主要由摆架框架、传感器部分、主控板、步进电机及驱动四个部分组成。
本设计基本能完成摆杆摆动幅度大于60度和旋转一周，并且能够实现倒立并且倒立时间不低于5S，并且具有一定的抗干扰能力。
关键词：步进电机，MC9S12XS，WDD35电位器，PID控制算法目录1 系统方案 (4)1.1 设计任务 (4)1.2 设计要求 (4)1.2.1 基本要求 (4)1.2.2 发挥部分 (4)1.3实现方法 (4)1.4方案论证 (5)1.4.1 控制器模块 (5)1.4.2 电机模块 (5)1.4.3 角度检测模块 (5)1.5 系统设计 (6)2 理论分析与计算 (6)2.1 简易倒立摆的数学模型 (6)2.2 系统框图 (7)3 电路与程序设计 (7)3.1 硬件及单元电路 (7)3.2 软件设计与工作流程图 (8)3.2.1 PID算法 (8)3.2.2 软件设计 (9)3.2.3 工作流程图 (9)4 结果分析 (10)4.1 测试方案及基准数据 (10)4.1.1 测试仪器 (10)4.1.2 电位器测试数据 (10)4.1.3 摆杆平衡位置 (10)4.2 基本及发挥要求测试结果 (10)4.2.1 基本要求一测试 (10)4.2.2 基本要求二测试 (10)4.2.3 基本要求三测试 (10)4.2.4发挥部分要求一测试 (10)4.2.5发挥部分要求二测试 (11)4.2.6发挥部分要求三测试 (11)5结语 (11)参考文献： (11)附录 (12)1 系统方案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。
板式倒立摆控制装置小组成员：张健杨帆田坤目录1.系统方案设计 (3)1.1 设计要求 (3)1.1.1 基本要求 (3)1.1.2 发挥部分 (3)1.2 显示部分 (3)1.3 传感器部分 (3)1.4 驱动部分 (4)2. 系统硬件设计 (4)2.1 总体设计思路及基本控制原理 (4)2.2板式倒立摆装置的设计 (5)2.3 电路的设计制作 (6)2.3.1 核心控制单元 (6)2.3.2 直流电机驱动电路 (6)2.3.3 信号转换电路 (7)2.3.4数据显示单元 (7)2.3.5 声光显示系统设计 (9)3.理论分析 (10)3.1 部分电路图 (10)3.2 理论分析与计算 (12)3.2.1 对脉冲信号的处理 (12)3.2.2数据之间的换算 (12)4．系统调测试 (13)4.1调试方法 (13)4.2调试结果 (13)4.3测试数据 (14)4.4测试结果 (14)附录：主要程序 (14)摘要：本设计以AT89C52单片机为核心控制系统，由输入模块、角度传感器、液晶显示模块等组成板式倒立摆控制装置。
以单片机控制直流电机转速，调节风力大小，改变板式倒立摆转角θ，并保证不让板式倒立摆倒下。
手转动板式倒立摆时，通过角度传感器测量倒立摆变化的角度θ，通过单片机能够数字显示转角θ在LCD 屏幕上，显示范围为0~10°，分辨力为1°，绝对误差≤2°。
还可以通过操作键盘控制风力大小，使转角θ能够在2~10°范围内变化，并且实时显示θ。
关键字：板式倒立摆直流电机角度传感器LCD屏幕Abstract:The AT89C52 single chip design as the core to control system, by the input module, Angle sensor, liquid crystal display module plate inverted pendulum control device. With the single chip processor control dc motor speed, adjust the wind size, change plate inverted pendulum θ corner, and promised not to let board type inverted pendulum is falling down. Hand turn board type inverted pendulum, through the Angle sensor measuring inverted pendulum of Angle θ changes, through the single chip microcomputer to digital display corner θ in the LCD screen, indicating that the range of 0 ~ 10 °, resolution for 1 °, absolute error than 2 °. But also through the operation the keyboard control wind size, to make corner θ in 2 ~ 10 ° can range change, and real-time display θ.Key word: Plate inverted pendulum Dc motor Angle sensor LCD screen1.系统方案设计1.1 设计要求1.1.1 基本要求(1) 用手转动板式倒立摆时，能够数字显示转角θ。
显示范围为0~10°，分辨力为1°，绝对误差≤2°。
(2) 通过操作键盘控制风力大小，使转角θ能够在2~10°范围内变化，并要求实时显示θ。
1.1.2 发挥部分通过操作键盘控制风力大小，使板式倒立摆转角θ稳定在0°±5°范围内的任意指定值。
要求控制过程在10秒内完成，实时显示θ。
1.2 显示部分采用LCD1602液晶显示。
1.3 传感器部分三向加速度传感器MMA755模块。
它根据物体运动和方向改变输出信号的电压值。
用单片机自带A/D 转换器读取x 、y 、z 三向的输出结果， 再根据线性加速计进行角度测量原理，即可计算出运动物体与x 、y 、z 三向的夹角。
经过试验，采用加速度传感器可有效测量所需角度，且精度及响应时间均较好。
以下为线性加速计MMA7455进行角度测量原理：MMA7455三向加速度传感器，根据物件运动即方向改变输出信号的大小。
主控芯片STC12C5A60S2读取X 、YA/D 转换。
X 、Y 、Z 轴的加速度分量Ax 、Ay 、Az 1g=，ρ、ϕ、θ满足式（1），如图1所示。
arctan arctan arctan ZA ρφθ⎛⎫⎛⎫=== ⎪⎝⎝⎝⎭（1）（a）(b)(c) (d)图1 三轴倾角测量1.4 驱动部分采用L298N驱动直流电机。
L298N可直接对电机进行控制，不需隔离电路，它通过改变控制端的电平来对电机进行启停、正反转操作，非常方便，亦能满足直流电机减速时的大电流要求2. 系统硬件设计2.1 总体设计思路及基本控制原理在本设计中我们采用了模拟控制及局部反馈控制等控制方法，利用单片机按键控制直流电机的转速，从而实现风力的控制。
风力对倒立摆的作用力来带动倒立摆及角图2.系统工作框图度传感器的转动，角度传感器给单片机一个反馈信号，再由单片机控制直流电机的转速，并通过显示屏来实现角度的显示，通过蜂鸣器实现报警等。
系统的实际工作框图，如图2所示。
2.2板式倒立摆装置的设计板式倒立摆控制装置，通过对风扇转速的控制，调节风力大小，改变板式倒立摆转角θ，并保证不让板式倒立摆倒下，如图3所示。
铰链图3控制装置示意图控制对象为板式倒立摆，其的尺寸如图4所示。
铰链图4 板式倒立摆由10cm ×50cm 硬质泡沫顶端加轴来构成倒立摆，在倒立摆轴刚性安装角度传感器实现同步转动，直流电机带动风扇做提供带动倒立摆转动角度的气压动力。
并将上述装置按装在底座上。
从而实现转读之间的互相之间的转换，角度传感器在给单片机一个反馈信号，从而实现单片机控制角度传感器的转动的角度。
提高倒立摆转动角度的精度是整个系统设计的关键，其精度直接影响到角度传感器的测量值，从而影响到系统控制的难度。
实测表明倒立摆转动角度的精度会受到多种因素影响，如风扇和倒立摆之间的距离；电机的机械运动周期频率；倒立摆硬件的制作工艺等。
通过各方面的考虑，反复的调试我们实现了对倒立摆转角精度的精确控制。
2.3 电路的设计制作2.3.1 核心控制单元在本设计中我们采用单片机AT89C52模块为核心控制单元。
来进行外部电路的控制。
从而实现各种功能，达到实验要求。
2.3.2 直流电机驱动电路我们采用L298N 驱动模块进行直流电机的驱动，其模块原理图如图5所示：如图5. L298N驱动模块原理图2.3.3 信号转换电路在本设计中我们采用的A/D转换装置为TLC2543，实现了角度传感器与单片机之间的信号转换。
2.3.4数据显示单元1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。
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，与外部CPU接口课采用串行或并行方式控制，如表6所示。
引脚功能说明1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表6所示:表6：引脚接口说明表第1脚：VSS为地电源。
第2脚：VDD接5V正电源。
第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS 和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：背光源正极。
第16脚：背光源负极。
1602液晶显示模块可以和单片机AT89C52直接接口，电路如图7所示。
如图7. 1602液晶显示与单片机AT89C52连接2.3.5 声光显示系统设计设计要求当角度达到45度误差的绝对值不超过5度的范围内发出声光信号。
在单片机程序的控制下，子要角度传感器转动的角度达到设定的范围时，就可以发出声音，在发声方面考虑到体积和功耗的因素，我们使用蜂鸣器代替普通的扬声器，而发光方面我们使用常用的发光二极管。
声光提示原理图如图8所示。
如图8.声光显示电路3.理论分析3.1 部分电路图图8. A/D转换电路图9无线控制电路图10单片机最小系统图11设计电路图8 主函数流程图图9 显示流程图图10 定时中断流程图图11 角度调整流程图3.2 理论分析与计算3.2.1 对脉冲信号的处理对TLC2543的脉冲信号进行了微处理，在10um的周期中给脉冲平均分成100份，通过软件程序控制按键之后输出的脉冲的占空比增加或减少来调节直流电机输入电压的大小。
从而实现全过程，如图5所示3.2.2数据之间的换算角度传感器在角度0---360度之间发生变化时，会输出0.5---4.5伏电压。
而A/D转换芯片TLC2543当介入电压为0---5V时可以转换到0---4096十进制数，所以TLC2543输出为409.5----3686.5 ，传感器的平均输出电压为0.0111平均每度的输出值为9.10222，通过以上数据进行编写程序如下：adc_test=read2543(0);adc_test=read2543(0);if(adc_test>adc_jz)adc=adc_test-adc_jz;elseadc=adc_jz-adc_test;adc=adc/9.10+0.5;//转成度dis3[10]=adc/10+0x30;dis3[11]=adc%10+0x30;display();if(start) //角度调节{if(adc<jd)djmk++;elsedjmk--;}4．系统调测试4.1调试方法在电路检查没有什么错误之后，我们开始进行调试，把各个模块的电源接好，在确认没有错误之后，进行按键来按照基本功能要求进行一项一项调试。
