72 | 电子制作 2019年05月
的控制能力的强弱。随着对倒立摆的研究越来越深，国内外的学者都更加倾向于采用全新的控制方法来实现对倒立摆系统的稳定控制，采用智能控制或者混合控制的方法等将成为今后研究的方向和重点。平面倒立摆的稳定控制是世界公 认的难题，一直以来都是人们关注和研究的热点。1 系统工作原理
红外线烘干箱本设计以STM32F103开发板为基础，结合角位移传感
器，OLED 显示屏，电机，平衡小车等模块构建作为主要的框架结构。通过OLED 显示屏显示当前角位移传感器返回的倾角参数，PID 参数的设置等。通过角位移传感器返回的参数，STM32对这些参数进行数据处理分析，控制电机转 该系统工作原理如图1所示。
图1 系统整体结构框图
2 硬件系统设计
整个系统结构是通过STM32单片机，按键，OLED 显示屏，电机，角位移传感器，平衡小车，摆杆构成。该设计的硬件流程如图2所示。单片机在各种工业，医用，军工，人工智能等方面早就
运算处理数据能力强，操作十分简便。
图2 总体系统结构
■2.1 OLED 显示屏
OLED 显示屏是利用有机电自发光二极管制成的显示
屏。与传统液晶屏相比有着更为可靠的性能，其操作简便，稳定性更高，通讯方式更加普遍的特点。
OLED 显示屏模块有如下特点：①操作十分简便，采用
I 2C 协议或者SPI 协议都可对其于单片机进行联系操作，本
文是使用I 2C 进行操作，这两种协议在电子模块中十分的常见。②不需要背光源，与传统液晶屏如1602，12864等液晶屏相比更加方便，即不需要额外给液晶屏供给电源。③该模块引脚很少，其与STM32单片机相连接简单，可以空出更多的引脚对其操作大大简化了对其控制的操作。④我们通过实
时OLED 实时显示数据，并通过按键实时修改必要数据，如PID 算法中的各种参数等，让我们更加方便的观察调试这些参数，所带来变化。
■2.2 电机，平衡小车，摆杆
电机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一
种电磁装置。在本次设计中采用的是步进电机，我们通过对PWM 波型的控制，进而对步进电机产生影响，以实现我们
想要的精确控制。平衡小车则是在电机之间履带上与摆杆相连接的控制端。步进电机带动履带进而使得平衡小车左右平移，使得与小车连接的摆杆始终保持竖直的状态。摆杆是固定再平衡小车上面的一个笔直的棒子，可以360°自由旋转。
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差情况将问题控制在还没有发生之前，积分项容易造成过冲现象，所以在当前值在设定值80%~120%起作用才是最好的，这也是为什么直线倒立摆要求最开始要手动垂直摆杆，
如果不先竖直摆杆，则摆杆会一直在积分项出现问题，对外的表现就是摆杆不能够竖直起来。微分项
则是根据最近几项来判断当前的变化率，以此来推断当前摆杆所处的状态，判断其倾向于是向左还是向右，这个就相当于摆杆摆动所产生的当前的变化率，可以将其类比为函数求导，微分项就是判
断摆杆的细微变化。总体的结构如图5所示。
图5 pid 控制算法框架
■3.2 总体程序结构
通过LED 灯，在整个直线倒立摆结构中设置了几个灯，
目的是在对其的调试以及直接使用倒立摆可以很清楚的知
道其对应的程序运行到了什么地步，方便我们对直线倒立摆进行下一步的操作。初始化按键（外部中断的方式），OLED 显示屏，定时器中断的开启，这些操作的目的是在对直线倒立摆的各个参数进行调整，通过OLED 显示屏显示PID 算法和位置环倾角，当前电压等各种参数，其中PID 算法中的比例系数等参数就可以通过按键对其进行调整。使用串口，方便我们对其进行调试，也可以是与上位机的通讯方式。初始化PWM，这方便于接下来对电机进行驱动，电机是要精确的控制它如何旋转所以使用PWM 波。使用ADC 方便对角位移传感器的返回电压进行采样测量和当前电压
的大小的采样。
4 部分主要程序摘选
4g手机电子围栏LED_Init();//初始化与LED 的连接的端口EXTI_Init();//初始化按键（通过外部中断触发）OLED_Init();//OLED 显示屏初始化uart_init();//初始化串口
MiniBalance_PWM_Init(6199,0);//初始化pwm E_coder_Init_TIM4();//初始化编码器 Angle_Init();//角位移传感器初始化Adc_Init();//ADC 初始化，方便电压的采集
Timer1_Init(49,6199);//定时器中断初始化
■2.3 角位移传感器
角位移传感器是将角度的测量通过另外一种形式的量
表示出来，这边我们将其通过电压的方式通过adc 把角度读取出来，并将该数据通过我们的单片机进行运算控制，通过公式计算出电机此时对应的
PWM 波形，以此来矫正摆杆
当前的位置，让摆杆更加竖直。如图3所示。
图3 倒立摆模型
3 系统软件设计
直线倒立摆是基于stm32f103系列的单片机设计出来
的一款有关控制类的产品。其工作原理为：通过电机驱动摆杆，同时检测角度传感器，让其返回角度的参数，对其参数进行PID 算法，进而再次驱动电机，使摆杆一直保存为直立的状态。直线倒立摆的设计就是让摆杆竖直，在这里我们是通过角位移传感器传出来的数据让其进行位置矢PID 算
法将得到电机对应的占空比，使其转动控制小车左右平移，是连接小车的摆杆保持竖直状态。 ■3.1 PID 算法程序设计
PID 算法总的可以归结为这个公式，如图4所示：KP 代表的是比例系数，EK 为当前值。T 叫做采样周期或者控
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制周期，计算周期，其不能小于一个脉冲的数值，也不能太大，否则微分项将会失效。TD 叫做微分时间常数。Ti 称为积分常数或者叫做积分时间，其值不能太大或太小，如果对以前的值的考察太过久远，则会有一些太久远的差值，则会使得积分算法出现较大的输出改变。这些常数都可以通过按键进行调整，影响微分输出。
图4 PID 算法公式
其中比例项是根据当前值和设定的标准值之间的一个
差值来计算的，通过比较当前值和设定值之间的差来判断此时我们是否达到了标准值也就是我们人为设定的数值，这里我们将其设置值表现在外面就是摆杆竖直向上，通过差值的大小输出一个对应的控制信号，使得PWM 波进行调整，从而影响电机，使摆杆竖直向上。积分项是根据之前得到的误差大小来提前判断当前值和设定值是否达标，通过之前的误
（下转第71页）
行线圈来进行实验。测试现场如图5所示。具体测试结果如表1、表2、表3所示。
表1 验证环形线圈半径与磁感应强度的测试结果
环形线圈半径理论磁场强实测磁场强度相对误差
0.10 6.66 6.600.9%
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0.147.257.40 2.1%
0.167.187.26 1.1%
表2 环形线圈电流大小与磁感应强度的测试结果
环形线圈电流理论磁场强实测磁场强度相对误差
0.8 1.78 1.81 1.6%
1.2
2.66 2.73 2.7%
1.6 3.55 3.66 3.6%
2.0 4.44 4.58
3.2%
2.4 5.33 5.49
3.0%
2.8 6.22 6.40 2.9%
3.0 6.66 6.81 2.4%
表3 中心轴线上场点到圆心距离与磁感应强度的测试结果
场点与圆心距离为理论磁场强度实测磁场强度相对误差
0.10 6.66 6.81 2.4%
0.11 5.73 5.92 3.3%
0.13 4.27 4.38 2.5%
0.15 3.21 3.27 1.9%
0.17 2.45 2.50 2.1%
0.19 1.90 1.96 3.2%
0.21 1.49 1.55 4.2%■4.2 钢板一致性检测功能测试
我们测试了一定厚度范围内的钢板，钢板处于磁场传感器和磁场激发器之间进行匀速运动。钢板厚度在超出设定范围和未超出测试范围内，液晶显示屏分别显示“NG”和“OK”。如图6所示。
■4.3 测试结果分析
毕奥-萨伐尔定律实验装置测试基本达到预计的实验效果，相对误差可以控制在4%左右。钢板的一致性检测也能较好的实现预计的效果，在钢板厚度1mm到5mm之间检测效果较为明显。
图6 液晶屏幕显示示例汽油机助力自行车
5 结束语
本文设计的毕奥-萨伐尔定律实验装置及拓展应用充分体现了51单片机功能强大，体积小巧、开发简易和霍尔元件灵敏度高、精确度高等优点。实际测试中基本也达到了设计效果，当然也存在不足的地方，下一步还要积极优化算法改进装置使精确度得到进一步提高。本仪器能够进行毕奥-萨伐尔定律的物理实验教学，钢板的一致性检测功能也可以在工业中应用。
参考文献
＊ [1]张守伟，藏德福，张付明，等.用高分辨率A/D芯片的微弱信号采集试验[J].自动化仪表，2016,37（6）：89-92.
＊ [2]李凯.基于12C通信协议的模数转换器的设计与研究[D].成都：电子科技大学，2012.
＊ [3]陈杰，黄鸿.传感器与检测技术[M].2版.北京：高等教育出版社，2015.
＊ [4]张文娜，叶湘滨，熊飞丽，等.传感器技术[M].北京：清华大学出版社，2011.
＊ [5]饶益花.霍尔传感器及其在物理实验中的应用[J].大学物理实验，2004,17（3）.
这些代码是在写程序时一些初始化和设置，通过这可以看出该设计所需要用的一些软件和硬件，还有一些比如oled_show()；等函数，它将显示我们所需要直接观察到的一些参数，如倾环角参数，PID的比例参数等等。通过I2C 协议传输到OLED显示屏中。可以帮助我们更好的理解并加以改进直线倒立摆。
5 结语
基于一阶直线倒立摆的设计，我们能够熟练的掌握PID 算法的构造和使用，我们通过对其的了解可以更加深入的学习并控制这种非线性的不稳定的装置。并让我们熟练了通讯协议如串口通信，I2C协议。学习了步进电机的控制方法，PWM波形的产生和设定，以及定时中断等多项基于STM32单片机的使用方法和技术，同时增强了我们对STM32单片机的理解和使用能力。这项设计贴近我们的生活，虽然现在只是一阶直线倒立摆，入手较为简便，但同时它还有很强的延展性，有着更高层次的后续开发空间，如我们通常所了解的机器人的行走等问题，都可以从这上面引进过来。其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途。
参考文献
＊ [1]刘火良，杨森.STM32库开发实战指南（第二版）[M].机械工业出版社，2017：70-100.
＊ [2]李国勇，控制系统数字仿真与CAD[M].电子工业出版社，2003：68-90.
＊ [3]金以慧，过程控制[M].清华大学出版社，2003: 28-43.
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