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。