全国大学生电子设计竞赛.docx
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全国大学生电子设计竞赛
2017年全国大学生电子设计竞赛
2017年全国大学生电子设计竞赛
滚球控制系统（B题）
1方案比较与论证
1.1方案设计
根据题目的要求和组内讨论，我们的滚球控制装置采用飞思卡尔智能车系统中的K60单片机，利用摄像头检测小球的位置，通过自己设计的驱动板进行驱动，只要单片机给出相应的控制信号，便可控制舵机工作。
六轴陀螺仪MPU6050传感器测量平板的摆动角度，单片机控制舵机转动的速度和方向，安装在底架上与平板连接，带动平板摆动倾斜，并以数字信号的形式反馈给单片机，用来调整舵机，使平板倾斜摆动完成题目要求的小球运动。
1.2方案论证
1.2.1单片机模块的选择
方案一：
AT89S52单片机。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
但是架构太简单，片上外设少，不适合本次使用。
方案二：
STM32单片机。
STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。
STM32单片机程序都是模块化的，接口相对简单些，有一定的不足，比如串口中断标志位缺陷。
方案三：
K60单片机。
飞思卡尔K60单片机是一款高性价比的单片机，10种带有功率和时脉闸控的低功耗模式，可优化外围设备活动和恢复时间。
完整内存，模拟运行可降至1.71V，令电池寿命延长。
芯片使用多组电源引脚分别为内部电压调节器、I/O引脚驱动、A/D转换电路等电路供电，内部电压调节器为内核和振荡器等供电。
总结：
综合比较上述几种方案，发现K60的性能最符合我们的题目控制要求，并且我们具有两年的使用K60单片机的经验，故决定采用方案三。
1.2.2电机模块的选择
方案一：
直流减速电机。
直流减速电机，即齿轮减速电机，是在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。
齿轮减速箱大大提高了，直流电机在自动化行业中的使用率。
它具有启动推力大、传动刚度高、动态响应快、定位精度高、行程长度不受限制等优点。
方案二：
步进电机。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。
方案三：
伺服电机。
伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。
用作执行元件时，具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
总结：
综合比较以上几种电机，结合设计所需高精度控制电机的转动度数及控制驱动电机的容易性，故我们选择方案三伺服电机。
1.3总体总结
根据题目的要求和组内讨论，本设计采用了K60单片机为控制核心，摄像头检测小球的位置，MPU6050六轴移传感器测量平板的摆动角度，并以数字电信号的形式反馈给单片机，用来调整不同方向舵机开闭和转速。
通过闭环控制，完成题目指标。
经过试验，验证方案可行有效。
2硬件设计
2.1理论分析与计算
滚球系统的机械示意图如下图所示。
在滚球系统中，要实现小球位置控制，必须明确系统所涉及的四个坐标系：
即世界坐标系，球盘坐标系，摄像机坐标系和图像坐标系。
球盘坐标系为二维坐标系，是小球位置控制的基准坐标系，板球系统的世界坐标系为三维坐标系。
对此系统模型，利用牛顿定律或者拉格朗日方程，通过动力学分析，可得到如下的完整的非线性耦合的滚球系统的动力学方程。
2.2总体硬件框图
2.3单元电路设计
单片机最小系统板：
飞思卡尔K60单片机是一款高性价比的单片机，其原理图在附录给出。
3软件设计
软件设计是把许多事物和问题抽象起来，并且抽象它们不同的层次和角度。
在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，软件同等重要。
在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。
所谓“模块”，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。
模块程序设计法将复杂的问题分解成可以管理的片断会更容易。
将问题或事物分解并模块化这使得解决问题变得容易，分解的越细模块数量也就越多，它的副作用就是使得设计者考虑更多的模块之间耦合度的情况。
3.1总体软件框图
开始
初始化
平板的基本倾斜
YES舵机控制平板摆动
NO
小球是否完成指标
图4-1软件总框图
3.2小球的检测及处理
在此滚球系统中，我们采用OV7620摄像头检测小球在平板上的位置。
其安装过程具有一定技巧，将摄像头安装在平板中央附件位置的正上方，高度要能使摄像头的视野能够照完整个平板，并且摄像头表面要和平板平行，否则采集回来的图像不能迅速准确反映小球在平板上的位置坐标。
通过在笔记本上位机观察摄像头采集回来的图像，经过软件二值化，可以看到白板黑球明显区分，即可实现小球的检测定位。
3.3控制方法：
PID算法
3.3.1PID的基本含义
当被控对象模拟PID控制系统组成,如图所示。
图4-3PID控制系统原理框图
PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r（t）与实际输出值c（t）的偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。
3.3.2PID参数试凑法和临界比例法
凑试时，对参数实行先比例，后积分，再微分的整定步骤，具体如下：
（1）先整定比例部分:
确定比例系数Kp时，首先去掉PID的积分项和微分项（即令Ki=0、Kd=0）使之成为纯比例调节。
再反过来，从此时的比例系数Kp逐渐减小，直至系统振荡消失，且系统反应快，超调小。
记录此时的比例系数Kp，设定PID的比例系数Kp为当前值的60％～70％。
（2）加入积分控制：
如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则需加入积分环节。
整定时首先置积分系数Ki一较大值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩小（如缩小为原值的0.8倍），然后减小积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，静态误差得到消除。
（3）加入微分控制：
若使用比例积分调节器消除了静态误差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成比例积分微分调节器。
在整定时，可先置微分系数Kd为0。
在第二步整定的基础上，增大Kd，同时相应地改变比例系数和积分系数，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。
3.4程序目录
根据题目要求用C语言编写程序达到各项功能，编程的目录如右图所示。
程序分为各个不同模块，每个模块执行特定功能，具有清晰的区分性和条理性。
4系统调试与测试
4.1硬件测试
4.1.1测试仪器
测试仪器包括米尺、数字万用表、直流稳压电源、示波器等。
4.1.2测试方法
数字万用表主要用来测试分立元件的电阻、压降、漏电流、截止/导通状态等参数；测量模块板是否可行。
软件IAR用于调试软件。
直流稳压电源在测试期间为各待测系统供电。
示波器用于探测某接口输出是否正常。
4.2软件调试
本程序较大且复杂，因此采用C语言编写，通过IAR软件的不断修改，采用自下而上的调试方法，先调试功能电路，再调试整个系统。
在调试的过程中与硬件的调试相结合，提高了调试的效率。
4.3软硬件联合调试
当软件和硬件的基本功能分别调试后，进行软硬件联合调试及优化。
4.3.1测试结果
按照题目要求，分步测试滚球系统的功能。
题目要求
试验次数
成功次数
备注
（1）基本要求①
10
10
小球基本比较稳定在2号区域
（2）基本要求②
10
9
排除干扰和误差，试验结果好
（3）基本要求③
10
8
达到指标且有富余程度
（4）基本要求④
10
9
要求30s内完成仅用21s左右
（5）发挥部分①
10
8
提前9s完成指标
（7）发挥部分②
未完成
（8）发挥部分③
未完成
（9）发挥部分④
未完成
4.3.2测试分析与结论
板球系统虽然是个经典的控制系统，其涉及的知识多且面广，没有想象中那么简单。
滚球控制系统的硬件的搭架特别耗时耗力，加上所处地区的技术落后工业落后，比赛所用到的许多材料不能现场购买。
在这四天三夜里，我们队员争分夺秒，在搭架好硬件后开始调试程序，最终把基础部分都较好完成，发挥部分只完成了一问，多少有些许遗憾。
经过小组讨论分析，我们认为测试结果主要与硬件条件和程序算法密切相关。
底架不够稳定会使摄像头跟着平板摆动而摇晃，再好的程序没有良好的硬件基础也不能很好发挥程序功能。
程序的算法很多，只有进行多次修改协调才能找出最利于实现题目要求指标。
5设计总结
在学校里我们学习到的知识和简单的动手实践，要转化成为社会的生产力还需要一个平台。
全国大学生电子设计竞赛给我们提供了一个培养创新、协作和钻研精神的平台，是大学生展现自己、积累经验的舞台。
参加过“瑞萨杯”电子设计竞赛的人，都从中体会到了奋斗的快乐、团队力量的伟大和来自压力的动力。
培训到竞赛是一个漫长的过程，期间心态很重要，会遇到很多问题，比如：
做训练时不懂的知识，硬件、软件调不出来，队员之间的矛盾，外界压力等，都需要我们去克服。
队员多交流！
交流不仅能促进队员们的学习，还能及时发现问题处理问题，利用一切可以提高自己能力的资源。
对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。
挫折是一份财富，经历是一份拥有。
这次电子设计大赛必将成为人生旅途上一个非常美好的回忆！
参考文献
[1]范红刚、魏学海、任思璟，《51单片机自学笔记》—北京：
北京航空航天大学出版社，2010-01-01；
[2]钟洪声，《电子电路设计技术基础》—西安：
电子科技大学出版社，2012-04-01
附录
附录A：
元器件清单
飞思卡尔K60单片机、OV7620摄像头、MPU6050传感器、舵机、自制电路板、7.2V/2000mAh蓄电池、超市货架、木板、小球等等。
附录B：
K60单片机原理图
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