2014年TI杯福建省大学生电子设计竞赛试题 - 图文

2014年TI杯福建省大学生电子设计竞赛试题

平衡杆小车（B题）

【本科组】

2014年9月6日

摘要

本系统选用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，以MPU-6050作为传感设

备为核心的系统。用MPU-6050来采集数据，通过A/D模块将采集的模拟化的量转化为数字量，由单片机控制减速电机来调整单摆在摆动过程中的得到角度，保证摆杆竖直倒立。信号采集是MPU-6050六轴加速度传感器，该传感器采集了信号，并进行调整，卡尔曼滤波等调整，提供三个轴的灵敏度的选择。但应该考虑到该系统的运行，只需要提供两轴的灵敏度参数。该信号采集后由单片机进行监控，并通过减速电机来进行摆杆的调控。最终实现该系统的功能。

关键字：MPU-6050，电机驱动，电源模块

1系统方案

本系统主要由最小系统模块、MPU-6050数据采集模块、驱动控制系统组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1 最小系统模块的论证与选择

方案一：选择STC89C52作为主控芯片，STC89C52周期比较慢，使系统反应比较慢。

方案二：选择MSP430G2553作为主控芯片，这款单片机的虽然周期是比STC89C52快，但是为了实现能用液晶12864显示，电路中的电压和电流，使用端口不够。

方案三：选择stc12C5a60s2作为主控芯片，有两路PWM输出，作为增强型51速度也比较快，还有自带AD,完全符合本系统开发。

综合以上三种方案，选择方案三。

1.2 数据采集模块的选择与论证

方案一：单摆在摆动过程中需要传感器来收集角度信号变化，选择角度传感器增量式光电编码器，该传感器可以在一圈内收到360个脉冲，通过特地的算法，往一个方向转动时，正向转动时每度增加一个脉冲，计数增加，反向转动时每转动一度就减少一个一个脉冲，计数减少。计数与光电编码器的初始位置有关，设置为在摆杆倒立时候的位置。

方案二：传感器芯片MPU-6050是一种低功耗，低压运行，高灵敏度的六轴加速度传感器，单摆在摆动的时候只需要芯片检测X,Y轴方向上得到加速度。可以通过两引脚来TX与RX来接受及传送数据。MPU-6050在不同状态下X,Y根据不同的角度的不同输出电压值。芯片设计稳定，防震能力强，封装小巧灵便，价格低廉。

通过以上的分析，发现方案一与方案二各有优劣。决定使用方案一与方案二的综合性的

方案，由增量式的光电编码器作为摆杆的轴H点。再由陀螺仪MPU-6050来进行角度及角加速度的测量。MPU-6050在随单摆摆动的时候，根据不同的方向变化来输出不同的量。再通过特地的算法来进行计算及控制电机的转动，从而保证倒立摆的直立。

1.3电机驱动的选择与论证

方案一：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便，很容易实现PWM调速。很方便的就可以实现通过单片机对直流减速电机前进、后退、停止、调速等操作。

方案二：采用步进电机作为该系统的驱动电机，由于其转动的角度可以精确定位，可以实现小车前进距离和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，但步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高的转速时会急剧下降，其转速较低时又不适于小车对速度的一定要求。经综合比较分析我们决定放弃此方案。

综合以上考虑我们选择方案一的直流电机作为小车的驱动电机。

2电路与程序设计

2.1系统总体框图 2.1.1系统总体框图

根据题目要求，要实现倒立摆的平衡控制，必须要解决单摆在摆动过程中的角度的实时调动，经过激烈的讨论，大致的的讨论框图如下：

2.2电路原理图

2.2.1角度传感器模块

选取角度传感器芯片MPU-6050六轴加速度传感器，5伏电压供电。将角度传感器纵向贴在摆杆上随摆杆自由摆动，在摆动时传感器的会采集横向和纵向的加速度的变化，以信号 输出

2.2.2电源模块

电源模块是以18650为电芯的12V电源，利用7805进行电压转换成5V电压的电路。