风力摆控制系统电子设计大赛报告

2015年全国大学生电子设计竞赛风力摆控制系统（B题）【本科组】2015年8月14日摘 要 本系统采用STC89C52单片机最小系统作为控制中心，与电机驱动模块，直流风机、万向节、摆杆、反馈装置一起构成摆杆角度和电机角速度的双闭环调速系统。由于直流电机属于一阶惯性，经分析在控制周期远小于电机时间常数的情况下建立电压与加速度的近似比例关系模型。选择直流风机驱动摆杆摆动，采用MPU6050测量摆杆的瞬时角加速度，单片机输出占空比可变的PWM波控制电机角加速度，从而控制电机的加速度和给摆杆固定轴心的扭矩，实现控制摆杆的摆动幅度并最终达到近似自由摆的稳定状态。控制方式采用PID控制，比例环节进行快速响应，积分环节实现无静差，微分环节减小超调，加快动态响应。从而使该系统具有良好的性能，能很好地实现起振、单摆、画线、360度画圆旋转，同时具有很好的抗扰动性能。关键词：STC89C52 直流风机 加速度 自由摆 目 录1系统方案11.1 角度传感器模块的论证与选择11.2 风机驱动模块的论证与选择11.3 电源模块的论证与选择11.4 主控制器的论证与选择12系统理论分析与计算12.1 XXXX的分析12.1.1 XXX12.1.2 XXX12.1.3 XXX12.2 XXXX的计算12.2.1 XXX12.2.2 XXX12.2.3 XXX12.3 XXXX的计算22.3.1 XXX22.3.2 XXX22.3.3 XXX23电路与程序设计23.1电路的设计2系统总体框图23.1.2 XXXX子系统框图与电路原理图23.1.3 XXXX子系统框图与电路原理图2电源23.2程序的设计2程序功能描述与设计思路2程序流程图34测试方案与测试结果34.1测试方案34.2 测试条件与仪器34.3 测试结果及分析3测试结果(数据)3测试分析与结论4附录1：电路原理图5附录2：源程序6风力摆控制系统（B题）【本科组】1系统方案本系统主要由主控模块、角度传感器模块、轴流风机驱动模块、机械结构模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1 角度传感器的论证与选择方案一：采用SCA61T-FAHH1G，它是基于3轴MEMS的单轴倾角计，可以感应重力来测量角度。不需要编程，不需要进行再校正，同时具有模拟和数字输出（SPI）接口。但是，倾角是利用加速度的原理，所以一般都是静态下测量倾斜角度。当运动时，会产生加速度分量影响测量精度。方案二：采用ADXL335模块。它模拟三轴加速度计提供经过信号调理的电压输出，能以最大小±3g的满量程范围测量加速度。但是它输出三轴加速度模拟量，使得与单片机通信必须加上A/D转换电路，从而电路结构复杂化。方案三：采用MPU6050，它是全球首例9轴运动处理传感器，集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计以及一个可扩展的数字运动处理器DMP，MPU-60X0对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，利于采用PID算法，对本题中的摆杆的运动特征进行实时控制。综合考虑以上三种方案，选择方案三，采用MPU6050。1.2 驱动模块的论证与选择方案一：采用购买的L298N集成芯片，该集成电路带散热器和光电耦合器，可以保护单片机不受电机的影响，最大程度的保护单片机。但是，在单片机PWM输入达到KHZ级别的时候，输出端波形严重畸变甚至直接输出高电平，导致电路不能运行在所给的频率下，经分析可能是光耦本身截止频率就在KHZ级别，一端输出大电压之后，带宽降低，不能满足要求。方案二：采用LM317芯片，它是可调节3-端正电压稳压器，在输出电压范围为1.2-37V时能够提供超过1.5A的电流，足以驱动1.4A的轴流风机。但是该芯片必须从1.2A开始调节电流，对于题中摆杆起振时驱动很小的情形不能满足要求。方案三：采用MOS管组成H桥型电机驱动电路，并利用PWM波来实现对输出电压的有效值大小和极性进行控制。这种调速方式具有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，能耗小等优点，还可以实现频繁的无级快速启动和反转等优点。综合考虑以上三种方案，选择方案三，采用自制MOS电路。1.3 电源模块的论证与选择考虑到本题将采用四个轴流风机来实现各种划线功能，根据上述选定的驱动电路，于是对下述三个电源方案进行考察：方案一：采用变压器，将220V市电直接转化为输出平稳12V、2A直流稳压电源，电路如下图，图中的RP可调整输出电压。从图中可以看出该电路较为复杂，不利于旋转装置的轻简化。方案二：采用12V，30A足功率 LED 监控设备开关电源，该电源可以满足本题中四个轴流风机的功率需求，但是不能实现该电源的有效利用，且成本稍高。方案三：采用12V，2000mAh 18650锂电池组，该电池组可以随时充电，并且满足驱动需求，另外，它体积小，方便置于轴流风机所在的平台，还可增加平台的稳定性。综合考虑以上三种方案，选择方案三，采用12V锂电池。1.4 控制系统的论证与选择方案二：选用PIC、或AVR等作为控制核心，这些单片机资源丰富，可以实现复杂的逻辑功能，功能强大，完全可以实现对轴流风机的控制。但成本稍高，程序编写复杂。方案二：采用STC89C52作为系统控制器。单片机软件编程成熟灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。但是8位处理器不足以满足本题的需要。方案三：选用STM32最小系统，该系统为32位处理器，完全可以实现本题反馈复杂的背景下对四个轴流风机的控制，并且其丰富的寄存器组和快速的处理速度为本题中运用PID算法提供了可能。综合考虑以上三种方案，选择方案三，采用STM32最小系统。2系统理论分析与计算2.1 机械结构的分析 摆杆由于直流电机的扭矩输出并不是很大，因此要求负载很轻甚至能够忽略为空载，可以为计算和控制带来很大的简便，因此选择了力学性能优异的新材料碳纤维，它的比重不到钢的1/4，但强度是钢的79倍，抗拉弹性模量为230430Gpa亦高于钢。而且中空碳纤维摆杆，是比较理想的摆杆模型。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。 轴流风机XXXX 底座XXXX2.2 XXXX的计算 XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX2.3 XXXX的计算 XXXXXXX XXXXXXX XXXXXXX3电路与程序设计3.1电路的设计系统总体框图系统总体框图如图X所示，XXXXXX图X 系统总体框图3.1.2 XXXX子系统框图与电路原理图1、XXXX子系统框图图X XXXX子系统框图2、XXXXX子系统电路图X XXXX子系统电路3.1.3 XXXX子系统框图与电路原理图1、XXXX子系统框图图X XXXX子系统框图2、XXXXX子系统电路图X XXXX子系统电路电源电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V或者12V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。3.2程序的设计程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。1）键盘实现功能：设置频率值、频段、电压值以及设置输出信号类型。2）显示部分：显示电压值、频段、步进值、信号类型、频率。2、程序设计思路程序流程图1、主程序流程图2、XXX子程序流程图3、XXX子程序流程图4、XXX子程序流程图4测试方案与测试结果4.1测试方案1、硬件测试2、软件仿真测试3、硬件软件联调4.2 测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。4.3 测试结果及分析测试结果(数据)2V档信号测试结果好下表所示： （单位/V）信号值0.20500.21000.20450.40261.0071.5421.6691.999显示0.20510.21000.20440.40261.0061.5421.6691.999测试分析与结论根据上述测试数据，XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX，由此可以得出以下结论：1、2、3、综上所述，本设计达到设计要求。附录1：电路原理图附录2：源程序