單級(jí)倒立擺畢業(yè)論文-在線瀏覽
2024-10-31 21:31本頁面
【正文】 ............................. 11 第 1 頁 共 19 頁 1 方案論證 方案一： AT89C51 為 8位單片機(jī)，具有一定算術(shù)運(yùn)算功能，編程軟件靈活、自由度大；具有功耗較低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用；使用 AT89C51與 AD 采集芯片 PCF8591，通過 AD采集芯片 PCF8591 對(duì)角度傳感器信號(hào)進(jìn)行采集傳給單片機(jī)，單片通過 PID 控制算法使定時(shí)器產(chǎn)生變化的 PWM 波及波形持續(xù)時(shí)間，輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)板控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和角度。 摘 要 本系統(tǒng)以 atmega16為平臺(tái)，主要由機(jī)械倒立裝置及單片機(jī)自動(dòng)控制組成，將裝在擺桿的角度傳感器 GY61得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 利用擺桿 倒立 擺動(dòng)過程中受力的分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)對(duì) 擺桿 板 調(diào)節(jié) 一定的角度 ，提高了倒立擺裝置自動(dòng)控制的穩(wěn)定性。通過 PWM 技術(shù)動(dòng)態(tài)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速 、 方向 和 PID 控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)裝置設(shè)計(jì)的各種要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，完成了設(shè)計(jì)功能。運(yùn)算速度較慢。 方案二：使用 atmega16內(nèi)部集成了 10位 A/D 轉(zhuǎn)換器，可對(duì)角度傳感 器信號(hào)進(jìn)行采集與處理，還集成了 PWM 的功能，硬件電路連接較簡單，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。 Atmega16簡介 :ATmega16是基于增強(qiáng)的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。 ATmega16 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個(gè)通用工作 寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的 數(shù)據(jù)吞吐率 。工作于空閑模式時(shí) CPU 停止工作，而 USART、兩線接口、 A/D 轉(zhuǎn)換器 、 SRAM、 T/C、SPI 端口以及 中斷系統(tǒng) 繼續(xù)工作；停電模式時(shí)晶體振蕩器 [1]停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步 定時(shí)器 繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于 休眠狀態(tài) ； ADC 噪聲抑制模式時(shí)終止 CPU 和除了異步定時(shí)器與 ADC 以外所有 I/O 模塊的工作，以降低 ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)的開關(guān)噪聲； Standby 模式下只有晶體或 諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有 快速啟動(dòng) 能力；擴(kuò)展Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。 方案三： 使用 STM32F103內(nèi)部集成了 1μs 的雙 12位 ADC，可對(duì)角度傳感器信號(hào)進(jìn)行采集與處理。 最高 工作頻率 72MHz， 運(yùn)算速度較快。 最終選擇方案：方案二。方案三因價(jià)格昂貴，編程復(fù)雜，所以在這里我們不做考慮。 缺點(diǎn)：扭矩較小，反應(yīng)動(dòng)作較慢，價(jià)格昂貴。 缺點(diǎn)：扭矩較大 ，反應(yīng)動(dòng)作較慢，價(jià)格昂貴。 最終選擇方案：方案三。 2 總體方案 當(dāng)角度傳感器隨擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，通過 atmega16 集成的 ADC 讀取到相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳給 atmega16 的 PID 控制算法，算出相應(yīng)的值用以控制 PWM 發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)控制的 PWM實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié) ， 如圖 21： 第 4 頁 共 19 頁 圖 21 總體方案框圖 3 電路設(shè)計(jì) Atmega16 及其 AD電路，如圖 31： 圖 31 Atmega16 及其 AD 電路 ATmega16 有一個(gè) 10 位的逐次逼近型 ADC。單端電壓輸入以 0V (GND) 為基準(zhǔn)。兩路差分輸入 (ADC ADC0 與 ADC ADC2)有可編程增益級(jí)，在 A/D 轉(zhuǎn)換前給差分輸入電壓提供 0dB(1x)、20dB(10x) 或 46dB(200x)的放大級(jí)。如果使用 1x 或 10x 增益，可得到 8 位分辨率。 ADC 包括一個(gè)采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到 ADC 的電壓保持恒定。懸空時(shí)，內(nèi)部 AD 參考電壓為內(nèi)部 作為參考電壓晶振選擇為 16MHz，提高 AD 采集速度。 ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果 轉(zhuǎn)換結(jié)束后 (ADIF 為高 )，轉(zhuǎn)換結(jié)果被存入 ADC 結(jié)果寄存器 (ADCL, ADCH)。 0x000 代表模擬地電平， 0x3FF 代表所選參考電壓的數(shù)值減去 1LSB。結(jié)果用 2 的補(bǔ)碼形式表示，從 0x200 (512d) 到 0x1FF (+511d)。如果該位為 1，結(jié)果為負(fù)；該位為 0，結(jié)果為正。這里我們選擇的是快速 PWM 模式?？焖?PWM 模式與其他 PWM 模式的不同之處是其單斜坡工作方式。對(duì)于普通的比較輸出模式，輸出比較引腳 OC0在 TCNT0 與 OCR0 匹配時(shí)清零，在 BOTTOM 時(shí)置位；對(duì)于反向比較輸出模式， OC0 的動(dòng)作正好相反。此高頻操作特性使得快速 PWM 模式十分適合于功率調(diào)節(jié)，整流和 DAC 應(yīng)用。工作于快速 PWM 模式時(shí)，計(jì)數(shù)器的數(shù)值一直增加到 MAX，然后在后 面的一個(gè)時(shí)鐘周期清零。圖中柱狀的 TCNT0 表示這是單邊斜坡操作。 TCNT0 斜坡上的短水平線表示 OCR0 和 TCNT0 的比較匹配。如果中斷使能，在中斷服務(wù)程序可以更新比較值。設(shè)置COM01:0為 2 可以產(chǎn)生普通的 PWM 信號(hào)；為 3 則可以產(chǎn)生反向 PWM 波形。產(chǎn)生 PWM 波形的機(jī)理是 OC0 寄存器在 OCR0 與 TCNT0 匹配時(shí)置位 ( 或清零 )，以及在計(jì)數(shù)器清零 ( 從MAX變?yōu)?BOTTOM) 的那一個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期清零 ( 或置位 )。 OCR0寄存器為極限值時(shí)表示快速 PWM模式的一些特殊情況。 通過設(shè)定 OC0 在比較匹配時(shí)進(jìn)行邏輯電平取反 (COM01:0 = 1)，可以得到占空比為 50%的周期信號(hào)。這個(gè)特性類似于 CTC 模式下的 OC0 取反操作，不同之處在于快速 PWM 模式具有雙緩沖。芯
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