【文章內容簡介】 擺桿做功，擺桿不斷獲取能量，擺桿擺桿擺動幅度越來越大，直到超過180度，能夠完成一系列圓周運動。 擺桿狀態(tài)檢測的計算 擺桿擺起的算法 圖32 倒立擺的系統(tǒng)結構 該圖為簡化后的力學模型，由一個水平旋轉臂和擺桿組成，在擺桿前，擺桿處于下垂靜止狀態(tài)，正常工作狀態(tài)時，擺桿平衡點為=0，擺桿的保持在一定范圍內。設表示水平桿對軸的轉動慣量，為水平桿的桿長；和分別表示擺桿的質量和擺桿質心到轉軸的距離，為加到水平桿上的控制力矩。設、分別為水平桿和擺桿的摩擦力矩系數；和分別為旋轉臂的轉角和角速度，和 分別為擺桿的角度和角速度。（1） 旋轉臂的動能、勢能和耗散能分別為： (35) (36) (37)（2） 擺桿的動能、勢能和耗散能分別為： （38） （39） （310）（3） 系統(tǒng)總的勢能、動能和耗散能： （311） （312） （313）根據以上公式可得出，施加的外力越大，擺桿擺起的角度就會越大，但如果施加的力過大就易導致系統(tǒng)紊亂，太小就不易擺起，然后逐漸加大力，最終使擺桿擺起。 擺桿保持平衡的算法設擺桿在處的速度為v1，在平衡處的速度為v2，F(xiàn)為施加的外力，L為擺桿距離旋轉臂的垂直距離，，分別為擺桿的角度和角速度。動能定理： （314）動量定理： （315） 抗干擾擺起電壓和控制切換點的選擇對擺起控制的成敗起到了關鍵性的作用。同時，倒立控制的抗干擾能力對于能否實現(xiàn)“擺起一倒立”控制也有重要影響，因為切換過程中總是存在不夠平穩(wěn)的現(xiàn)象，這需要倒立擺控制算法能夠克服切換產生的擾動。第4章 硬件模塊設計 控制器模塊設計 本設計采用STC89C52做為控制器的核心，其余模塊有復位時鐘電路模塊、1602液晶屏顯示模塊、按鍵模塊、步進電機模塊、角度檢測模塊、電源模塊。其關系如下圖： STC89C52芯片電源模塊復位時鐘電路模塊按鍵模塊1602液晶顯示屏模塊步進電機模塊角度檢測模塊 圖41 控制器模塊設計控制模塊的電路圖： 圖42 控制模塊的電路圖其中STC89C52引腳功能：STC89C52具體介紹如下： ① 主電源引腳（2根）　　VCC(Pin40)：電源輸入，接＋5V電源　　GND(Pin20)：接地線 ②外接晶振引腳（2根）　　XTAL1(Pin19)：片內振蕩電路的輸入端　　XTAL2(Pin20)：片內振蕩電路的輸出端 ③控制引腳（4根）　　RST/VPP(Pin9)：復位引腳，引腳上出現(xiàn)2個機器周期的高電平將使單片機復位?！　LE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號　　PSEN(Pin29)：外部存儲器讀選通信號　　EA/VPP(Pin31)：程序存儲器的內外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內部程序存儲器讀指令。④可編程輸入/輸出引腳（32根）　　STC89C52單片機有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、PPP3口，每個口有8位（8根引腳），共32根。　　PO口（Pin39～Pin32）：8位雙向I/O口線，～　　P1口（Pin1～Pin8）：8位準雙向I/O口線，～ 　　P2口（Pin21～Pin28）：8位準雙向I/O口線，～ P3口（Pin10～Pin17）：8位準雙向I/O口線，～ 電機驅動模塊此模塊是使單片機能夠控制電機的過渡橋梁，電機驅動模塊選擇用ZD6560V4模塊，其工作條件為： 表41 驅動模塊的工作條件項目最小額定最大單位環(huán)境溫度3080℃輸入電壓（DC）72432V輸入頻率016000Hz輸出電流3A接口電壓H5VL00V 共陽極接法： 公共正（Vcc） 控 方向 DIR）制 脫機（ER） 器　　　　 脈沖（CP） 　　　公共負（VCC） 方向＋ 方向－　　　　　驅脫機＋　　　　　　　　動脫機－　脈沖＋　　　　　器　　　　　　　脈沖－ R R R 圖43 電機驅動模塊共陽極接法Vcc=5V，R=0； Vcc=12V，R=1K；Vcc=24V，R=R為串聯(lián)限壓電阻，當控制器的接口電壓為5V時，無需R，直連即可；當接口電壓為12V時，串聯(lián)1K電阻；當接口電壓為24V時。脈沖有脈沖時工作，高電平有效；無脈沖時鎖定電機并自動半流方向高電平輸入或懸空時正轉；低電平輸入時反轉脫機高電平輸入或者懸空時正常工作；低電平時脫機 表42 共陽極控制方法 該電機模塊分別設計電機驅動模塊的細分和衰減、電流設置表43 細分設置細分SW4SW31OFFOFF2OFFON16ONOFF8ONON表44 電流設置電流SW6SW53AOFFOFFOFFONONOFFONON表45 衰減設置衰減SW2SW1低OFFOFF慢OFFON中ONOFF快ONON 圖44 電機驅動模塊實物圖 步進電機模塊 步進電機模塊中選用57BGY25080型號的步進電機，驅動方式為恒流斬波驅動，勵磁方式為兩相八拍運行，將其安裝在旋轉臂上，其結構如下： 圖45 步進電機模塊原理圖其中驅動器ZD6560V4中的A+，A，B+，B與型號為57BYG25080電機相連接，單片機通過控制電機驅動器的脈沖+，脈沖來控制電機的正反轉，實現(xiàn)往復擺動動作。 圖46 步進電機實物圖 此款電機帶鍵槽，鍵為4mm ，軸頸9mm ，機身長度為80 mm 兩相四線 ，3A 。一般規(guī)格： 步距角：176。；額定電壓：24V；工作電壓：1232V；工作電流：3A 溫升：80KMAX；環(huán)境溫度：40℃+55℃；絕緣電阻：500VDC100MΩ Min 絕緣強度：1000VAC50Hz1mA Min；絕緣等級：E級；保持轉矩： 軸徑：9mm 圖47 步進電機外形尺寸 顯示模塊 采用1602液晶顯示屏來顯示擺桿和旋轉臂的角度和角加速度，其設計與單片機連接如下： 圖48 顯示模塊原理圖 圖49 顯示模塊實物圖LCD1602引腳介紹如下：第1腳：Vss為地電源第2腳：VDD接5V正電源第3腳：為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數據。 第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 第7～14腳：D0～D7為8位雙向數據線。RS、R/W、E的信號真值表如表 46所示：表46 RS、R/W、E的信號真值表RSR/WE功能00下降沿寫指令代碼01高電平讀忙標志和AC值10下降沿寫數據11高電平讀數據 時鐘振蕩電路 STC89C52中有一個用于構成內部振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器，振蕩電路如圖410。因為一個機器周期含有6個狀態(tài)周期，而每個狀態(tài)周期為2個振蕩周期，所以一個機器周期共有12個振蕩周期，如果外接石英晶振的振蕩頻率為12MHz,故而一個機器周期為1us。 圖410 振蕩電路外接石英晶體及電容CC2接在放大器的反饋回路中構成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容CC2雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性。外接石英晶體，電容使用30pF177。10pF。 復位電路復位電路雖然簡單，但其作用非常重要。一個單片機系統(tǒng)能否正常工作，首先要檢查是否能復位成功。復位操作有上電自動復位和手動復位兩種方式。本設計采用上電自動復位的方式。上電自動復位是在加電瞬間電容通過時間來實現(xiàn)其電路，如圖411。在通電瞬間，電容C通過電阻R充電，RST端出現(xiàn)正脈沖，用以復位。只要電源Vcc上升時間不超過1ms,就可以實現(xiàn)上電自動復位，即接通電源就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的復位初始化。關于參數的選定在振蕩穩(wěn)定后應保證復位高電平持續(xù)時間大于2個機器周期。這里選用的是12MHz的石英晶振，可取C=10，R=。圖411 復位電路 電源模塊 供電電源采用100W 24V開關穩(wěn)壓電源，其中端子定義為 表47 各端子表示含義腳位號功能腳位號功能1AC/L5DC OUTPUT V2AC/N7DC OUTPUT +V3FG（接地）單組輸出：功率100W輸入電壓：110/220VAC輸出電壓：548VDC 圖4 12 電源模塊第5章 軟件設計 調試軟件Keil C51簡介Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。運行Keil軟件需要WIN9NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。KEIL C51使用接近于傳統(tǒng)C語言的語法來開發(fā)，與匯編相比，C語言易學易用,而且大大的提高了工作效率和項目開發(fā)周期,另外還能嵌入匯編，可以在關鍵的位置嵌入，使程序達到接近于匯編的工作效率。K