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。
方案二：单相永磁式直流电机+BTS7970驱动方案
此方案是借鉴第八届飞思卡尔智能车摄像头组小车的驱动方案，用2片BTS7970搭接成一个H桥的驱动电路。
此方案我们有成型模块，容易实现，但是在实际测试过程中，电机在无负载时，转速高，负载状态下，即带动旋转臂转动过程下，转速低，且启动过程中，电流输出大（这也是驱动芯片采用BTS7970的原因），转矩小，在最大转速状态下，摆杆摆动角度小，无法实现倒立。
方案三：775高速力矩直流电机+L298N0驱动方案
此方案电机空载转速：15600转/分钟，12V空载电流：1.7A(启动电流2.2A)，转速及电流都在额定值以内，并且电机在实际测量过程中，摆杆能360度旋转摆动。
综合以上三种方案，选择方案三。
1.2传感器采集模块的论证与选择
方案一：飞思卡尔公司的MMA7260三轴加速度器采用了信号调理，单机低通滤波器和温度补偿技术，它具有灵敏度可选，低功耗，高稳定性等特点，并且输出模拟信号，但是接线较复杂，接在摆杆上影响摆杆运动。
无法达到实验要求。
方案二：线性电位WDD35D-4是360°连续机械转角的线性电位器，精度可达到0.5%，将电位器旋钮和电位器分别于旋转臂和摆杆结合，在摆杆转动的同时带动旋钮改变阻值，通过传感器采集电路，将摆杆位置信息转化成模拟电压量，经AD测量,从而换算出倾斜角度。
并且电位器转动轴摩擦力小。
完全可以达到题目要求。
综合以上二种方案，选择方案二。
1.3 控制系统的论证与选择
方案一：A VR的MEGA16L是一款高性能、低功耗的8 位A VR微处理器，具有高速，还有四通道PWM和8路10 位ADC以及两个可编程的串行USART都是本系统所需的重要资源。
方案二：STC1260S2是单时钟（1T）高速8位单片机，2路PWM,8路AD高速10位AD转换器，专门用于电机控制及高干扰环境，但是本系统需要大量的数据处理，并且需要采用一定的控制算法，而8位单片机在这一块相对较弱。
方案三：MSP430G2453是德州仪器推出的一款超低功耗、高集成度、高性价比的混合信号微控制器。
带有内部基准、采样与保持以及自动扫描功能的10位200ksps 模数(A/D) 转换器，2路16定时器，有3路7种配置的PWM直接输出。
外部电路简单，使用方便。
综合考虑采用XXXXX。
2系统理论分析与计算
2.1 XXXX的分析
2.1.1 XXX
XXXX
2.1.2 XXX
XXXX
2.1.3 XXX
XXXX
2.2 XXXX的计算
2.2.1 XXX
XXXX
2.2.2 XXX
XXXX
2.2.3 XXX
XXXX
2.3 XXXX的计算
2.3.1 XXX
XXXX
2.3.2 XXX
XXXX
2.3.3 XXX
XXXX
3电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图
系统总体框图如图X所示，
图X 系统总体框图
3.1.2 XXXX子系统框图与电路原理图
1、XXXX子系统框图
图X XXXX子系统框图
2、XXXXX子系统电路
图X XXXX子系统电路
3.1.3 XXXX子系统框图与电路原理图
1、XXXX子系统框图
图X XXXX子系统框图
2、XXXXX子系统电路
图X XXXX子系统电路
3.1.4电源
电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。
为整个系统提供5V或者12V电压，确保电路的正常稳定工作。
这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
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和显示。
1）键盘实现功能：设置频率值、频段、电压值以及设置输出信号类型。
2）显示部分：显示电压值、频段、步进值、信号类型、频率。
2、程序设计思路
3.2.2程序流程图
1、主程序流程图
显示初始化界面
是否进入主菜单
进入主菜单
选择子系统
往返摆动
圆周摆动
倒立摆动
系统上电各模块
初始化
结束子系统
否
否
是
是
2、XXX 子程序流程图
3、XXX 子程序流程图
4、XXX 子程序流程图
4测试方案与测试结果
4.1测试方案
1、硬件测试
2、软件仿真测试
3、硬件软件联调
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
4.3.1测试结果(数据)
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据，XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX，由此可以得出以下结论：
1、
2、
3、
综上所述，本设计达到设计要求。
附录1：电路原理图
附录2：源程序。