風力擺控制系統(tǒng)電子設(shè)計大賽報告.doc

2015年全國大學生電子設(shè)計競賽風力擺控制系統(tǒng)（B題）【本科組】2015年8月14日摘 要 本系統(tǒng)采用STC89C52單片機最小系統(tǒng)作為控制中心，與電機驅(qū)動模塊，直流風機、萬向節(jié)、擺桿、反饋裝置一起構(gòu)成擺桿角度和電機角速度的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。由于直流電機屬于一階慣性，經(jīng)分析在控制周期遠小于電機時間常數(shù)的情況下建立電壓與加速度的近似比例關(guān)系模型。選擇直流風機驅(qū)動擺桿擺動，采用MPU6050測量擺桿的瞬時角加速度，單片機輸出占空比可變的PWM波控制電機角加速度，從而控制電機的加速度和給擺桿固定軸心的扭矩，實現(xiàn)控制擺桿的擺動幅度并最終達到近似自由擺的穩(wěn)定狀態(tài)。控制方式采用PID控制，比例環(huán)節(jié)進行快速響應(yīng)，積分環(huán)節(jié)實現(xiàn)無靜差，微分環(huán)節(jié)減小超調(diào)，加快動態(tài)響應(yīng)。從而使該系統(tǒng)具有良好的性能，能很好地實現(xiàn)起振、單擺、畫線、360度畫圓旋轉(zhuǎn)，同時具有很好的抗擾動性能。關(guān)鍵詞：STC89C52 直流風機 加速度 自由擺 目 錄1系統(tǒng)方案11.1 角度傳感器模塊的論證與選擇11.2 風機驅(qū)動模塊的論證與選擇11.3 電源模塊的論證與選擇11.4 主控制器的論證與選擇12系統(tǒng)理論分析與計算12.1 XXXX的分析12.1.1 XXX12.1.2 XXX12.1.3 XXX12.2 XXXX的計算12.2.1 XXX12.2.2 XXX12.2.3 XXX12.3 XXXX的計算22.3.1 XXX22.3.2 XXX22.3.3 XXX23電路與程序設(shè)計23.1電路的設(shè)計23.1.1系統(tǒng)總體框圖23.1.2 XXXX子系統(tǒng)框圖與電路原理圖23.1.3 XXXX子系統(tǒng)框圖與電路原理圖23.1.4電源23.2程序的設(shè)計23.2.1程序功能描述與設(shè)計思路23.2.2程序流程圖34測試方案與測試結(jié)果34.1測試方案34.2 測試條件與儀器34.3 測試結(jié)果及分析34.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù))34.3.2測試分析與結(jié)論4附錄1：電路原理圖5附錄2：源程序6風力擺控制系統(tǒng)（B題）【本科組】1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由主控模塊、角度傳感器模塊、軸流風機驅(qū)動模塊、機械結(jié)構(gòu)模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。1.1 角度傳感器的論證與選擇方案一：采用SCA61T-FAHH1G，它是基于3軸MEMS的單軸傾角計，可以感應(yīng)重力來測量角度。不需要編程，不需要進行再校正，同時具有模擬和數(shù)字輸出（SPI）接口。但是，傾角是利用加速度的原理，所以一般都是靜態(tài)下測量傾斜角度。當運動時，會產(chǎn)生加速度分量影響測量精度。方案二：采用ADXL335模塊。它模擬三軸加速度計提供經(jīng)過信號調(diào)理的電壓輸出，能以最大小3g的滿量程范圍測量加速度。但是它輸出三軸加速度模擬量，使得與單片機通信必須加上A/D轉(zhuǎn)換電路，從而電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。方案三：采用MPU6050，它是全球首例9軸運動處理傳感器，集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計以及一個可擴展的數(shù)字運動處理器DMP，MPU-60X0對陀螺儀和加速度計分別用了三個16位的ADC，將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運動，傳感器的測量范圍都是用戶可控的，利于采用PID算法，對本題中的擺桿的運動特征進行實時控制。綜合考慮以上三種方案，選擇方案三，采用MPU6050。1.2 驅(qū)動模塊的論證與選擇方案一：采用購買的L298N集成芯片，該集成電路帶散熱器和光電耦合器，可以保護單片機不受電機的影響，最大程度的保護單片機。但是，在單片機PWM輸入達到KHZ級別的時候，輸出端波形嚴重畸變甚至直接輸出高電平，導致電路不能運行在所給的頻率下，經(jīng)分析可能是光耦本身截止頻率就在KHZ級別，一端輸出大電壓之后，帶寬降低，不能滿足要求。方案二：采用LM317芯片，它是可調(diào)節(jié)3-端正電壓穩(wěn)壓器，在輸出電壓范圍為1.2-37V時能夠提供超過1.5A的電流，足以驅(qū)動1.4A的軸流風機。但是該芯片必須從1.2A開始調(diào)節(jié)電流，對于題中擺桿起振時驅(qū)動很小的情形不能滿足要求。方案三：采用MOS管組成H橋型電機驅(qū)動電路，并利用PWM波來實現(xiàn)對輸出電壓的有效值大小和極性進行控制。這種調(diào)速方式具有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負載沖擊，能耗小等優(yōu)點，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點。綜合考慮以上三種方案，選擇方案三，采用自制MOS電路。1.3 電源模塊的論證與選擇考慮到本題將采用四個軸流風機來實現(xiàn)各種劃線功能，根據(jù)上述選定的驅(qū)動電路，于是對下述三個電源方案進行考察：方案一：采用變壓器，將220V市電直接轉(zhuǎn)化為輸出平穩(wěn)12V、2A直流穩(wěn)壓電源，電路如下圖，圖中的RP可調(diào)整輸出電壓。從圖中可以看出該電路較為復(fù)雜，不利于旋轉(zhuǎn)裝置的輕簡化。方案二：采用12V，30A足功率 LED 監(jiān)控設(shè)備開關(guān)電源，該電源可以滿足本題中四個軸流風機的功率需求，但是不能實現(xiàn)該電源的有效利用，且成本稍高。方案三：采用12V，2000mAh 18650鋰電池組，該電池組可以隨時充電，并且滿足驅(qū)動需求，另外，它體積小，方便置于軸流風機所在的平臺，還可增加平臺的穩(wěn)定性。綜合考慮以上三種方案，選擇方案三，采用12V鋰電池。1.4 控制系統(tǒng)的論證與選擇方案二：選用PIC、或AVR等作為控制核心，這些單片機資源豐富，可以實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能，功能強大，完全可以實現(xiàn)對軸流風機的控制。但成本稍高，程序編寫復(fù)雜。方案二：采用STC89C52作為系統(tǒng)控制器。單片機軟件編程成熟靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。但是8位處理器不足以滿足本題的需要。方案三：選用STM32最小系統(tǒng)，該系統(tǒng)為32位處理器，完全可以實現(xiàn)本題反饋復(fù)雜的背景下對四個軸流風機的控制，并且其豐富的寄存器組和快速的處理速度為本題中運用PID算法提供了可能。綜合考慮以上三種方案，選擇方案三，采用STM32最小系統(tǒng)。2系統(tǒng)理論分析與計算2.1 機械結(jié)構(gòu)的分析 2.1.1 擺桿由于直流電機的扭矩輸出并不是很大，因此要求負載很輕甚至能夠忽略為空載，可以為計算和控制帶來很大的簡便，因此選擇了力學性能優(yōu)異的新材料碳纖維，它的比重不到鋼的1/4，但強度是鋼的79倍，抗拉彈性模量為230430Gpa亦高于鋼。而且中空碳纖維擺桿，是比較理想的擺桿模型。碳纖維的軸向強度和模量高，無蠕變，耐疲勞性好，比熱及導電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小，耐腐蝕性好，纖維的密度低，X射線透過性好。2.1.2 軸流風機XXXX2.1.3 底座XXXX2.2 XXXX的計算 2.2.1 XXXXXXX2.2.2 XXXXXXX2.2.3 XXXXXXX2.3 XXXX的計算 2.3.1 XXXXXXX2.3.2 XXXXXXX2.3.3 XXXXXXX3電路與程序設(shè)計3.1電路的設(shè)計3.1.1系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖X所示，XXXXXX圖X 系統(tǒng)總體框圖3.1.2 XXXX子系統(tǒng)框圖與電路原理圖1、XXXX子系統(tǒng)框圖圖X XXXX子系統(tǒng)框圖2、XXXXX子系統(tǒng)電路圖X XXXX子系統(tǒng)電路3.1.3 XXXX子系統(tǒng)框圖與電路原理圖1、XXXX子系統(tǒng)框圖圖X XXXX子系統(tǒng)框圖2、XXXXX子系統(tǒng)電路圖X XXXX子系統(tǒng)電路3.1.4電源電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個系統(tǒng)提供5V或者12V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡單，都采用三端穩(wěn)壓管實現(xiàn)，故不作詳述。3.2程序的設(shè)計3.2.1程序功能描述與設(shè)計思路1、程序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分主要實現(xiàn)鍵盤的設(shè)置和顯示。1）鍵盤實現(xiàn)功能：設(shè)置頻率值、頻段、電壓值以及設(shè)置輸出信號類型。2）顯示部分：顯示電壓值、頻段、步進值、信號類型、頻率。2、程序設(shè)計思路3.2.2程序流程圖1、主程序流程圖2、XXX子程序流程圖3、XXX子程序流程圖4、XXX子程序流程圖4測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案1、硬件測試2、軟件仿真測試3、硬件軟件聯(lián)調(diào)4.2 測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表。4.3 測試結(jié)果及分析4.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù))2V檔信號測試結(jié)果好下表所示： （單位/V）信號值0.20500.21000.20450.40261.0071.5421.6691.999顯示0.20510.21000.20440.40261.0061.5421.6691.9994.3.2測試分析與結(jié)論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX，由此可以得出以下結(jié)論：1、2、3、綜上所述，本設(shè)計達到設(shè)計要求。7附錄1：電路原理圖附錄2：源程序