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倒立摆全国电子设计大赛报告一等奖(20190806210415).pdf
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更新于2023-05-26
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matlab 安装包 MATLAB [1] 是美国MathWorks公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境,主要包括MATLAB和Simulink两大部分。 MATLAB是matrix&laboratory;两个词的组合,意为矩阵工厂(矩阵实验室)。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中,为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案,并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言(如C、Fortran)的编辑模式,代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等,主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多,并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C,FORTRAN,C++,JAVA的支持。
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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】
摘要
:
通过对该测控系统结构和特点的分析, 结合现代控制技术设计理念实现了
以微控制器 MC9S12XS128系列单片机为核心的旋转倒立摆控制系统。 通过采集的
角度值与平衡位置进行比较,使用 PD算法,从而达到控制电机的目的。其工作
过程为:角位移传感器 WDS35D通过对摆杆摆动过程中的信号采集然后经过 A/D
采样后反馈给主控制器。 控制器根据角度传感器反馈信号进行 PID 数据处理, 从
而对电机的转动做出调整,进行可靠的闭环控制,使用按键调节 P、D 的值,同
时由显示模块显示当前的 P、D值。
关键字
:
倒立摆、直流电机、 MC9S12XS128 单片机 、角位移传感器 WDS35D、PD 算法

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目录
一、设计任务与要求 ....................................................................................................................... 3
1 设计任务 ............................................................................................................................... 3
2 设计要求 ............................................................................................................................... 3
二 系统方案 ..................................................................................................................................... 4
1 系统结构 ............................................................................................................................... 4
2 方案比较与选择 ................................................................................................................... 4
(1) 角度传感器方案比较与选择 ..................................................................................... 4
(2) 驱动器方案比较与选择 ............................................................................................. 5
三 理论分析与计算 ......................................................................................................................... 5
1 电机的选型 ........................................................................................................................... 5
2 摆杆状态检测 ....................................................................................................................... 5
3 驱动与控制算法 ................................................................................................................... 5
四 电路与程序设计 ......................................................................................................................... 6
1 电路设计 ............................................................................................................................... 6
(1)最小系统模块电路 ......................................................................................................... 6
(2)5110 显示模块电路设计 ................................................................................................ 7
(3)电机驱动模块电路设计 ................................................................................................. 8
(4)角位移传感器模块电路设计 ......................................................................................... 8
(5)电源稳压模块设计 ......................................................................................................... 8
2 程序结构与设计 ................................................................................................................... 9
五 系统测试与误差分析 ............................................................................................................... 10
5.1 测试方案 ........................................................................................................................ 10
5.2 测试使用仪器 ................................................................................................................ 10
5.3 测试结果与误差分析 .................................................................................................... 10
6 结论 ............................................................................................................................................. 11
参考文献 ......................................................................................................................................... 11
附录 1 程序清单(部分) ............................................................................................................ 12
附录 2 主板电路图 ........................................................................................................................ 15
附录 3 主要元器件清单 ................................................................................................................ 16

第 3 页 共 16 页
一、设计任务与要求
1 设计任务
设计并制作一套简易旋转倒立摆及控制装置。旋转倒立摆的结构如图 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。如下图所示
2 设计要求
基本要求: ①摆杆从处于自然下垂状态开始, 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,外力撤出同时,启动控制旋转臂使摆杆
保持倒立状态时间不少于 5s;期间旋转臂的转动不大于 90°。
发挥部分:①从摆杆处于自然下垂状态开始,控制旋转臂作往复旋转运动,
尽快使摆杆摆起倒立,保持倒立时间不少于 10s;②在摆杆保持倒立状态下,施
加干扰后摆杆能继续保持倒立或 2s 内回复倒立状态;③在摆杆保持倒立状态的
前提下,旋转臂作圆周运动,并尽快使单方向转过角度达到或超过 360°。

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二 系统方案
1 系统结构
系统包括 MC9S12XS128单片机;直流电机和电机驱动模块;角位移传感器。
由直流电机来控制旋转臂转动从而来使摆杆摆动, 在摆杆的转轴处加上角位移传
感器,使摆杆一开始能快速得摆动出来,并且能保持倒立的状态,框图如下:
2 方案比较与选择
( 1) 角度传感器方案比较与选择
方案①选择角位移传感器:角位移传感器它采用非接触式专利设计,与同
步分析器和电位计等其他传统的角位移测量仪相比,有效地提高了精度。
方案②选择陀螺仪:陀螺仪传感器最主要的特性是它的稳定性和进动性。
它是用来感测和维持方向的装置, 主要用在航空来判断方向, 在此次设计中想到
用陀螺仪来控制摆杆角度,但判断比较复杂,不实用。
MC9S12XS128
单片机
BTN7971
驱动
直流电机
角位移
传感器
摆杆
内置 AD
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