文档介绍：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
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
测试方案10
测试使用仪器10
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
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°。
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：
MC9S12XS128
单片机
BTN7971
驱动
直流电机
角位移
传感器
摆杆
内置AD
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。
因此我们选择角位移传感器。
（2）驱动器方案比较与选择
方案①选择L298：L298工作电压为12V，电流到2A。但是它的驱动能力弱，不满足我们的需求。
方案②选择BTN7971：相对于L298,这款驱动器有着跟强大得驱动能力。它与单片机5V隔离保护单片机；它的PWM1，PWM2最高支持15V，此驱动集成的模块反应迅速，发热量小。
因此我们选择BTN7971。
三理论分析与计算
1 电机的选型
一开始我们选择步进电机：步进电机可以实现开环控制，即通过驱动器信号输入的脉冲数量和频率实现步进电机的角度和速度控制，无需反馈信号。它可以旋转极小的角度，从而实现倒立摆的功能。但我们实际操作起来转速比较慢，加上旋转臂等后速度缓慢。
后来选择直流电机：通过直流电机来带动旋转臂，从而带动摆杆。直流电机控制简单，只要加上合适的电压就会转，转速相比步进电机更快，比较适合本题的要求，而