社会实践报告。
2011电子设计大赛培训实践。
学院： 计算机科学与工程
专业： 计算机科学与技术
姓名。学号。
班级。实践日期： 2011.8.08 – 2011.8.14
目录。1. 实践目的： 3
2. 实践内容： 3
2.1主要内容 3
2.2详细内容 3
2.2.1两轮自平衡小车的制作 3
2.2.2逆变电源的制作 5
2.2.3函数发生器与宽带放大器的制作 8
3. 实践结果： 9
3.1两轮自平衡小车的制作 9
3.2逆变电源的制作 9
3.3函数发生器与宽带放大器的制作 10
4. 实践总结或体会： 10
目的在于培养自己的创新思想、协作精神和工程实践的训练能力。
实践的主要内容分为四个阶段：
第一阶段：7月18日——7月26日制作两轮自平衡小车。
第二阶段：7月27日——8月1日制作逆变电源。
第三阶段：8月2日——8月8日制作函数发生器与宽带放大器。
总体设计方案】
通过借鉴国内外一些关于双轮自平衡小车的设计方案，我们组设计了自己的双轮自平衡小车的组成结构，主要包括机械和控制两部分。其中机械部分是由两个车轮、传动机构、底盘和车身等部分组成，它们构成了小车的机械平台。控制部分包括了电机、倾角传感器、蓄电池、atmega16控制电路板。
设计过程】首先我们筛选资料，参考别人，寻求老师意见，确定了整个设计的方案和进度表。确立了方案后我们进入了真正的设计制作过程。由于是三人第一次的配合，所以难免有意见分歧，不好分配任务，所以工作角色一直是模棱两可。
接下来我们开始买元器件，进行焊接电路板，忙得不可开交。
机械结构部分设计。
1）车轮：左右平行安装，用于支撑小车车体的底盘。
2）底盘：固定于小车底部的一块平板，用于存放控制部分电路板的平台，以及固定两个直流电机和传动机构的装置。
3）车身：用于固定各个控制电路板、传感器电路板和安装电源等，并可用于小车调节重心。
4）传动机构：通过齿轮传动带动车轮。好处：缩短底盘宽度，降低车体重量，同轴度好调整。
控制系统部分设计。
双轮自平衡小车控制部分的传感器，主要采用倾角传感器以及编码器来检测机器人未知和姿态信号，通过相应的软件计算，为控制系统提供了机器人中心倾斜度等相关的反馈值。其硬件电路系统主要包括以下几个部分：
1）电源模块电路：由于小车整体体积比较小，所以采用单块12v的蓄电出进行供电，并选用等芯片设计了相应的稳压电路，使得系统可以获得较为稳定的5v、12v的电压。
2）控制芯片电路：选择atmega16单片机，设计了相应的外部晶振电路和外部复位电路。
3）电机驱动电路：选用两台faulhaber motoren 2342l012cr m124-y2002373型号直流电机（电机额定电压：dc12v，额定转速：
8100转/分，力矩：1.75nm），根据电机的使用说明书，选用l298芯片并设计了相应的直流电机驱动电路。
4）角度传感器信号读取电路：采用了sca60c单轴倾角传感器，测量范围1g(±90度)，单极5v供电，比例电压模拟0.5-4.5v输出，并设计了相应的角度传感器信号读取电路。
5）电机转速读取电路：根据实际需要，选择对管和相应的码盘，制作了电机的测速传感器，并根据实际需求设计相应的整流、放大等信号处理电路。
软件设计。系统的软件部分，主要是由传感器信息读取与处理程序、控制算法程序、电机控制程序等几部分组成，是用于控制小车平衡的核心部分。
1） 信号读取与处理程序：包括了通过单片机的ad转换口对sca60c单轴倾角传感器信号进行ad转换，得到离散的电压信号值，根据传感器说明书中得公式，对其进行了公式换算，转化为相应的角度值。以及通过单片机外部中断口对两个电机光电编码盘脉冲信号读取，经过相应的转换计算，得出两个电机的转速、小车的素的及车轮的转动方向。
2） 控制算法程序：主要是编写了用无线通信控制小车启动、前进、后退、停止。
3） 电机驱动程序：通过单片机的t1计时器进行设定，根据控制算法程序输出两路pwm脉宽信号分别控制小车的左右分布的两个电机。
4） lcd显示及其他程序：这些程序主要是对于所读取的信号进行了简单的平均处理，使得采集的信号更加精确。并在lcd上显示小车的状态参数。
总体设计方案】
针对现代电源变频调幅的要求，提出了利用对称规则采样原理产生spwm 信号，选用atmega16 单片机，设置其16 位计时器为相位修正pwm 模式产生spwm 信号，结合查表及**计算方法，实现变频调幅。 同时利用其内部集成的ad 模块对逆变桥输出进行采样并进行均值滤波处理，实现对系统的pi 闭环控制。 采用ir2110 作为驱动桥，并通过全桥逆变电路及lc 无源滤波实现正弦波的输出。
系统加入过温过流监测模块，并有人机交互界面（键盘和显示）.
设计过程】系统硬件设计。
本系统采用atmel 公司的atmega16 单片机作为数字控制系统的核心，利用atmega16 产生spwm 信号并进行电压采样处理。
逆变电源系统主电路采用单相全桥逆变电路，由4 个igbt 作为功率管组成全桥逆变电路，该电路具有控制方便，功率管利用率高；控制方式采用全数字的控制方式。 主电路是典型的ac-dc-ac 逆变电路。 20v交流电后面接全波整流电路，（桥堆整流，电容滤波）整成直流滤波后约有27vdc左右，然后接一个lm317，用适当电阻调压就可以得到平滑的12v直流电。
然后再由逆变电路将其转变为频率可调的20v交流电压！
由单片机对lc 滤波后电压经过整流滤波后进行ad 采样，采样所得的数据输入到atmega16 单片机，由a tmega16 芯片对数据进行处理，并输出相应的spwm 信号给驱动电路，控制逆变器的输出。 对系统工作温度，电流进行监测，保护控制系统电路，设有键盘、控制频率及幅值，同时显示模块，用于显示系统工作状态。
此系统的控制核心电路是atmega16 单片机电路，主要完成以下2 个方面的工作：1) 输出spwm 控制信号到驱动电路，控制逆变桥的通断。 ir2110 采用高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠性。
;2) 对输出电压进行ad 采样。
atmegal6单片机内集成了8通道10位的a／d转换器，故采样得到的电压信号经过前置电路处理后直接送入单片机中进行a／d转换。设计如上：反馈电压的采样见图3.
2，为使采样系统与高压电路隔离，先用分压比为100：1高精度温度敏感系数低的高压电阻分压器取样0～500 v的电压输出，再经霍尔电压传感器转换为0～5 v的输出。为防止反馈电压对a／d转换器件的冲击，输出电压经过lm741同相跟随器(作缓冲用)后，一路经电容去耦接到单片机的a／d转换ado口；另一路输出电压通过电压比较器lm311，与设定的电压(电压值由稳压二极管决定)进行比较，一旦输出电压高于设定电压，lm311输出便翻转为高电平，接到ir2113的sd端关断ir2113的输出，同时单片机内部通过软件关闭pwm输出，实现系统的两级过压保护。
经典电路。输入电流在r1上产生uin，由运放作为电压跟随器输出，视输入电流及输出电压确定r1，注意精度及温度系数。切记调整运放的失调电压。
将数据输入单片机进行处理，调节输出，实现闭环控制。 由于系统不仅输出spwm 波，还包含了低次以及高次谐波，为了最终输入标准正弦波就必须设置滤波电路，本设计采用了lc 滤波电路，如图4 所示，称为固定k型低通滤波器。
系统软件设计。
软件设计的关键部分之一是控制电路中spwm信号的产生，本程序采用了以三角波作为载波、正弦波作调制波的对称规则采样法，得到一系列幅值相等但宽度不等的矩形波。 矩形波的占空比使用**计算的方法。
设n 为载波调制波比， 即有n = f c/ f r . 其中f c为载波频率， f r 为调制波频率。 本系统利用atmega16 的t/ c1 产生spwm 信号，所以载波频率可由下面的公式计算：
其中，变量n 代表分频因子 或1024) ,f clk_ i/ o是mcu 时钟。
设m 为调制深度， 即有m = ur / uc , 其中uc 为载波幅值，ur 为调制波幅值。 m 一般取值范围为0～1. 改变调制波的幅值，就能使输出的基波电压幅值发生变化。
由规则采样法的原理，假设一个周期内有n 个矩形波，则第i 个矩形波的占空比di 为。
通过设置atmega16 的t/ c1 ,利用上述公式计算出占空比，并与t/ c1 的top 值相乘，并形成一个正弦表，然后将数据送到比较寄存器ocr1b 中，配置单片机i/ o 口寄存器，在pd4 口输出spwm 信号。 整个spwm 产生程序流程图及实时反馈图如图5,6.
常用的正弦调制法分为同步和异步调制法。 异步调制法的输出波形对称性差，脉冲相位和个数不固定；同步调制法在调制波的频率很低时，容易产生不易滤掉的谐波，而当调制波频率过高时，开关元件又难以承受。 为得到特性较好的正弦波，软件设计时采用了分段同步调制法，吸收上述两种方法的优点，且很好地克服各自的缺点。
其具体操作为：把调制波频率分为几个频段，在各个频段内保持载波比恒定，而不同频段的载波比不相同，通过配置单片机内部的载波频率实现输出基波频率的变化，即改变t/ c1 的top 值，即可实现调频功能。 选取的原则为：
输出频率高的频段采用低载波比，输出频率低的频段采用高载波比。 同时，为了得到严格对称的双极性spwm 信号，载波比选取为3 的倍数。 本系统中将频段分成五段，具体见表1.
软件设计的关键部分之二是输出电压的实时反馈，由于电网的波动或是负载的变化，可能导致输出电压的不稳定，因此在系统中加入pid 增量数字闭环控制，以保证输出电压的动态稳定特性。
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2023年度暑期社会实践报告
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