2015年全国电子设计竞赛报告模板

板式倒立摆控制装置 学校:南华大学 作者:况宗旭祝真滨黄煜 指导教师:文杰 摘要:板式倒立摆的控制装置是以AT89C52单片机作为核心控制系统,含有角度传感器(ADXL345)、输入模块、1602液晶显示模块等组成的一个控制装置,通过调节风力的大小找到板子的一个平衡点,使其没有太大的振荡、角度和速度。当板子到达我们所期望的位置后,系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。当通过风力大小改变板式倒立摆转角θ时,液晶屏能够数字显示转角θ显示范围为0~10°,分辨力为1°,绝对误差≤2°。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,实时显示θ。 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 θin 2 ~ 10 °can range change, and real-time display θ. Key word: Plate inverted pendul 关键词:板式倒立摆,角度传感器,1602液晶显示屏, Abstract:The production involves a parallel power supply system which consists of two DC-DC modules and a current monitor module. The DC-DC modules are based on Buck type topology, using UC3845 as PWM controller chip and power MOSFET as a switch tube with the feature of ultra-low on-resistance and fast response time. In addition, we introduced digital potentiometers in series between sampling resistance, which allows the output voltage of DC / DC modules to be controlled by the microcontrollers. The current monitoring module uses C8051 MCU as the core and high-precision Hall components as the current measuring element. We adjusted the proportion of the output current by adjusting the output voltage of DC / DC modules. The output current proportional is displayed by nixie tube and seted by buttons. Measured results show that our device realized the functions all required by the subject, and some indexes even surpass the criteria the competition demands. Keywords:Buck;UC3845;Digipot;Current Sensor;Load short circuit Protect 一、 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 论证 1.方案分析与比较 两路DC/DC 模块并联后,其等效的电路模型如图1.1所示: U 0 图1.1 并联供电等效电路 由图中可知: 1 11r U U I -= …………………………………………(1) 20 22r U U I -= …………………………………………(2) L R U I 0 0= ............ ....................................(3) 210I I I +=...... (4) 由此可见,在输出电压固定的情况下,要调整1I 和2I 的比例,可以有四个参数可以调整,即1U 、2U 、1r 和2r ,根据调整的参数不同,可有以下几种方案,现分析如下: 方案一:电阻调流法。要调整1I 和2I ,最简单的办法是调整两路DC/DC 模块的等效内阻1r 和2r ,而调整等效内阻的最简单的方法是在1I 和2I 支路中分别串入两个可调电阻1Rp 和2Rp ,如图1.2所示: 这种方案的实现技术也是比较简单的,用数字电位器来充当两个可调电阻,1I 、2I 和0 I 可由霍尔传感器测量,在确定了电流比例后,假设需要21I I >,则可以减小1Rp 的数值,同时增大2Rp 的数值,直到1I 和2I 的比例等于给定比例值为止。 此方案简便易行,但其缺点是由于串入了额外的电阻1Rp 和2Rp ,会对电源的供电效率产生较大影响,所以不是最佳方案。 U 0 图1.2 电阻调流法 方案二:电压调流法。此方案调整的是两个模块的空载电压1U 和2U ,如图1.3所示。 由公式(1)和公式(2)可知,由于电源内阻1r 和2r 的值很小,因此调整1U 和2U 对电流1I 和2I 的调整效率很高,只需要1U 和2U 的微小变化,便可引起1I 和2I 的较大变化,并且如果1U 和2U 同时进行相反方向的调整的话,对0U 造成的影响也基本可以相互抵消,因此电压调整法是较佳的一种方案。 方案三: 电流源法。此方案的等效电路图如图1.4所示,它是将两个DC/DC 模块设计成电流源工作方式, 它们的输出电流是可以精确控制的,这样就可以根据所要求的电流比例,计算出1I 和2I 的值后,分别将DC/DC1 和DC/DC2的电流精确控制在目标值。 U 0 图1.3 电压调流法 图1.4 电流源法 系统的输出电压等于L L R I I R I U ?+=?=)(2100,负载值确定后,对于一定的输出电流,输出电压也必然是确定的。但为了能得到精确的输出电压,可对输出电压进行反馈控制,由此组成双回路控制系统。 此种方法的优点是控制目标直接,是对两个电流直接进行控制,因此精度较好,再加上外环的电压控制,可以精确的实现稳定的电压输出。其缺点就是系统回路复杂,会大大增加硬件电路的复杂度和调试的难度。 综上所述,第二种方案在性能指标和可实现性方面比较折中,考虑到题目所给出性能指标要求,以及竞赛时间的紧迫性,我们选用电压调流法来实现。 2.总体方案设计 采用电压调流法的总体结构框图如图1.5所示,主要由三大部分组成:DC/DC 模块1,DC/DC 模块2,电流监控模块。 0I 0R L 图1.5 并联供电系统总体结构框图 对DC/DC 模块1的要求为:输入24V 直流,输出8V 直流,输出电流可在0A~2A 之间变化,要求电压变换效率高,并且输出电压可由单片机方便进行控制。 对DC/DC 模块2的要求与DC/DC 模块1完全相同。 对电流监控模块的要求是:能够准确测量DC/DC 模块1输出电流、DC/DC 模块2输出电流和总的输出电流共3路电流值,能够对DC/DC 模块1和DC/DC 模块2的输出电压进 行控制,能够实现过流保护及自动恢复功能。 另外,在两路直流电压合并之前,各加入一个二极管进行隔离,这是考虑到两路DC/DC 模块电压独立进行控制的需要,若无此隔离二极管,则两个电压会产生干涉从而影响对各自电流的调节。 二、理论分析与计算 1.DC/DC 变换器稳压方法 DC/DC 模块的输入电压为24V ,输出电压为8V ,因此可以采用Buck 型拓扑结构,由这种电路组成的DC/DC 模块的基本原理如图2.1所示。 图2.1 Buck 开关型调整器典型的拓扑及其主要波形 晶体管Q1与直流输入电压dc V 串联,通过Q1硬开通和硬关断,在V1处产生方波电压。采用恒频控制方式,占空比可调,Q1导通时间为on T 。Q1导通时,V1点电压为dc V ,(设Q1导通,压降为零),电流通过串接电感o L 流入输出端。Q1关断时,电感o L 产生反电动势,使V1点电压迅速下降到零,并变负值直至被二极管D1(也称续流二极管)钳位于-0.8V 。 设此刻二极管D1压降也为零,则V1点电压波形为矩形波,如图2.1(b )所示,on T 时段电压为dc V ,其余时段电压为零。该方波的电压平均值为dc V on T /T 。o o C L 滤波器接于V1和o V 之间,它使输出点o V 成为幅值等于dc V on T /T 的无尖峰无纹波的直流电压。 采样电阻R1和R2检测输出电压o V ,并将其输入误差放大器(EA )与参考电压ref V 进行比较。被放大的误差电压ea V 被输入到脉宽调制器(电压比较器)PWM 。PWM 比较器的另一个输入是周期为T 的锯齿波,如图2.1(a )所示,其幅值一般为3V 。PWM 电压比较器产生矩形波脉冲,即图2.1(c )中的wm V ,它从锯齿波起点开始到锯齿波与误差放大器输 出电压交接点结束。因此,PWM 输出的脉冲宽度on T 与误差放大器输出电压成比例。 PWM 脉冲输入到电流放大器并以负反馈方式控制开关管Q1的通断。其逻辑关系是:若输入电压dc V 稍升高,则EA 输出电压ea V 将降低使锯齿波与ea V 交点提前,Q1导通时间on T 缩短使输出电压T T V V on dc o /=保持不变。同理,若dc V 下降,则导通时间on T 正比的延长使o V 保持不变。Q1导通时间的改变使采样电压总是等于参考电压,即ref o V R R R V =+)/(122。 图2.2 采样电路阻值分配 2.均流方法 由前面的方案分析可知,改变并联的两路DC/DC 模块的电压,可以间接的改变它们输出电流的比例,而DC/DC 模块输出电压的值是由采样电阻R1和R2的比例决定的: 2 12R R R V V ref o +?=………………………………………(5) 因此,改变R1或者R2的值,也即改变R1和R2之间的比例关系,即可改变输出电压。现设计如下采样电路来实现R1和R2之间比例关系的调整: 其中R1由R1a 、R1b 和R1c 三个电阻串联而成,主要是为了方便R1的取值;R2由R2b 与DP 串联之后再与R2a 并联而成,这样做的好处是可以削弱DP 时对R2总的电阻值造成的影响,使R2总的电阻值的调整在一个合理的范围之内。其中,DP 是一个可由单片机控制的数字电位器,这样,通过调整DP 的阻值,即可对采样电路的分压值fb V 进行调整,从而也即可实现对输出电压O V 的调整,进而实现对两路DC/DC 模块的电流比例进行调整。 3.主回路参数计算 (1)Q1参数值的计算与选型: 根据为在V 关断时给负载中电感电流提供通道,设置了续流二极管VD ,在负载中无反电动势时,只需令反电动势为零,即可得负载电流平均值为o m o U E I R -=,故可知负载平均电流值为2A ,则我们所选用的晶体管的最大电流值要在4A 以上。 (2)D1参数值的计算与选型: 根据在连续工作模式下,占空比/on T T D =,而且(/)o dc on V V T T ≈,所以可以得到D1的参数,8o V V =,3/1=D 。 (3)Lo 参数值的计算与选型: 电感量及最大电流Imax 的计算 根据能量守恒定律可得以下方程: ??? ?????=?≈?L T V I f LI on min max 2max A 2V 821 式中,f=50KHz (根据整个电路的特性选定),Vmin=18V ,Ton=8μs (根据UC3845芯片的特性选定) 解以上方程可得:L=32.4μH ,Imax=4.44A (4)Co 参数值的计算与选型: 由典型的ESR/电容值关系式61050-?=o o C R ,可以得到Co 参数值为F μ5.12。 4.采样电路 参见图2.2,a R 2=4.7K ,b R 2=50K ,取数字电位器的阻值为中值,即DP R =25K ,则 ()DP b a R R R R +=222||=4.423K 由(5)式:221R R V V R ref o -?==9.731K 为了方便取值,可取a R 1=9.1K ,b R 1=620Ω,c R 1=11Ω。 三、硬件电路设计 1.主回路 主回路由两路Buck 电路并联而成,根据上面的计算结果,给出主回路的电路图如图3.1所示: 图3.1 并联供电系统主回路 其中,由Q1、D1、L1、C2、C3等构成了DC/DC 模块1的主回路,由Q2、D2、L2、C5、C6等构成了DC/DC 模块2的主回路,采样点1处的电压为模块1的输出电压Vo1,采样点2处的电压为模块2的输出电压V o2,两路模块的输出电压分别通过D3和D4并联在一起,产生输出电压Vo 。 另外,为了测量I1、I2和Io 三路电流,分别在三个电流支路上设置了接入霍尔传感器的接入点,为了方便测试时接入电流表,同时也留出了三个电流的外部测试接入点。 Q3用于控制直流24V 的输入,可用于过流保护中用来切断系统的供电。 2.PWM 控制回路(UC3845) DC/DC 模块的反馈控制回路由UC3845构成,对两路DC/DC 模块而言,它们是完全相同的,图3.2是其中的一路: 图3.2 PWM 控制回路 UC3845是高性能固定频率电流模式控制器。该集成电路的特点是:具有振荡器、温度补偿的参考、高增益误差放大器、电流取样比较器和大电流图腾柱输出,是驱动功率MOSFET 的理想器件,UC3845的内部结构如图3.3所示: 反馈控制回路的输入是采样点的电压,也即图3.1中的采样点1和采样点2。采样分压电路的各电阻值由2.2节中的计算得到,其中的DP 是数字电位器,其阻值可根据需要由单片机来进行控制,从而可以改变采样分压电路的分压系数,从而改变DC/DC 模块的输出电压值V o1和V o2。 图3.3 UC3845内部结构 UC3845根据其2引脚的电压VFB 产生相应的PWM 波从6脚输出,由于UC3845的驱动能力有限,不足以驱动功率MOSFET ,故设置了由三极管和运放AD822构成的MOS 管驱动电路,完成对PWM 波的功率放大和倒相的作用。 3.电流检测(LTSR25-NP ) 电流检测由霍尔传感器LTSR25-NP 实现,其电路图如图3.4所示。 图3.4 电流检测电路 LTSR25-NP 是一种可将电流转换成直流电压的器件,按照图示的接法,电流由LTSR25-NP 的1脚输入,最后由4脚输出,则其out 端的电压可由下式计算: )8/625.0(5.2p I Vout ?±= 其中p I 为从1脚输入的电流值的绝对值大小,单位为安培(A ),V o u t 的单位为伏特(V ),±的取值:p I 为正时,取“+”号,p I 为负时,取“-”号。 运放AD822的正输入端接LTSR25-NP 的参考电压输出端,即可从LTSR25-NP 的out 端输出电压中减去其准分量,从而得到偏移值为0的电压值。 图3.5 数字电位器 4.数字电位器控制 数字电位器采用ADI 公司的8位数字电位器AD8400AN50,其总的阻值为50K ,可由单片机通过SPI 接口对其进行控制,使用十分方便,其硬件部分电路如图3.5所示。 其中,AD8400的1和8脚是其电位器的两个固定端,7脚是其中间抽头,将7脚与8脚短接,由1脚和8脚即构成一个阻值可在0K 到50K 可进行调节的可变电阻,其步进值为50K/256=195(欧)。 AD8400的SPI 接口只有数据输入端,而没有数据输出端,将CLK 、SDI 和CS 三根信号线引出组成P1插头,即可由单片机的SPI 接口对其进行控制。 5.过流保护 过流保护电路的硬件电路由电流测量电路和输入电压控制开关组成,参见图3.4和图3.1中的Q3。 总的输出电流由电流检测电路实时进行监测,一旦测到总输出电流大于设定的过流保护值,即判断整个系统的输入电压,从而实现过流保护功能。 6.单片机最小系统 电流监控模块的单片机系统由C8051F410单片机构成,如图3.6所示。 图3.6 单片机最小系统 它包括单片机正常工作所需的时钟电路、复位电路和JTAG调试接口等部分,以及键盘与显示电路、SPI接口、AD转换接口等。 7.键盘与显示电路 键盘与显示电路如图3.7所示,它由HD7279芯片为核心构成。键盘与显示电路可识别16个按键和驱动4个数码管的显示。考虑功耗和实际需求,实际仅焊接三个按键和两个数码管:数码管用于显示设定的电流输出比;两个按键用于设定电流输出比,另一个按键用于控制电源输出。 8.工作电源 系统的工作还需要一个5V的直流电源,以供单片机系统、数字电位器、电流检测模块等电路使用。为了提高效率,采用单片式的开关电源芯片LM2575为核心构建,其输入为系统输入+24V,输出为直流+5V,最大可提供1A电流输出,如图3.8所示。 图3.7 键盘与显示电路 图3.8 +5V电源 四、软件设计 1.主程序流程 单片机的主控程序所要完成的任务比较简单,其主体是一个对三路电流进行监控的状态机循环,另外还需要对按键和显示进行处理,主控程序的流程如图4.1所示。 2.初始化操作 进入主循环之前,需要对将要用到的外设进行初始化,主要包括PCA0、内部时针模块、GPIO口、SPI接口、Timer及AD转换模块等,分别调用相应的外设初始化函数完成,详细 的初始化函数参见附录3中的源程序代码。 图4.1 主程序流程图 3.电流检测 电流检测主要用到AD 转换模块,C8051F410的AD 为12位精度,其AD 转换结果与对应输入电压之间的关系由下式计算: Value AD Vref Vi _1 212?-= 根据对霍尔传感器的五组校准数据,用Mathematica 5.0工具中的Fit[data,{1,x},x]函数进行插值拟合,得到其输出电压与输入电流之间的计算公式如下: I 1 = 7750.28 - Vi[0] * 3.14436; //模块1电流 I 2 = 7904.33 - Vi[1] * 3.21468; //模块2电流 I o = 7836.99 - Vi[2] * 3.18125; //总电流 上述三个公式的拟合度如图4.2所示。 I 1公式拟合度 I 2公式拟合度 I o 公式拟合度 图4.2 电流计算公式拟合度 由此,在状态机的入口处对三路电流进行检测,便可根据实际检测到的电流值来进行相应的状态转移和控制。 4.数字电位器控制 数字电位器AD8400通过SPI 接口来控制,其数据格式如图4.3所示: 图4.3 AD8400数据格式 其中,B9和B8两位是AD8400内部电阻的地址,对于AD8400来说,由于其内部只有 一路可变电阻,因此这两位取0即可。B7~B0是设定可变电阻阻值的8位数据。 AD8400的SPI接口操作时序如图4.3所示。由于C8051F410单片机的SPI接口只有8位,因此需要由两次SPI写操作组合完成,将第一个字节置0,写入SPI数据字后,保持CS端为低电平,接着写入第2个数据字(即要设定的8位值),最后再将CS端置高,这样就完成了一次16位数据的SPI操作,而根据AD8400的特性,它只保持最后写入的10位数据。 图4.4 AD8400接口时序 进行SPI写的操作函数如下所示: void SPI_Array_Write (void) { while (!NSSMD0); // Wait until the SPI is free, in case NSSMD0 = 0; SPI0DA T = 0x00; // Load the XMIT register while (TXBMT != 1)// Wait until the command is moved into { // the XMIT buffer } SPI0DA T = SPI_Data; // Load the data into the buffer while (TXBMT != 1)// Wait until the data is moved into { // the XMIT buffer } SPIF = 0; while (SPIF != 1)// Wait until the last byte of the { // data reaches the Slave } SPIF = 0; NSSMD0 = 1; // Diable the Slave } 5.电流监控状态机 对两路模块电流比例的控制由电流监控状态机来实现。电流监控状态机是一个无限循环,在循环的开始首先进行三路电流的测量,根据测量得到的电流值及设定的电流比例值,来进行状态判断,从而进行相应的状态转移和控制,控制的执行是通过对数字电位器值的改变来实现的。 电流监控状态机一共有五个状态,分别是: 状态1:0.5A≤Io <1.3A ; 状态2:1.3A≤Io <1.5A ; 状态3:1.5A≤Io <3.5A ; 状态4:3.5A