电子设计竞赛报告Word格式.docx
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1、方案论证与比较
1.1系统方案
本风力摆控制系统主要包括单片机控制模块、电源模块、姿态采集模块、风力摆模块、液晶显示模块、人机交互系统以及风力摆机械结构。
风力摆由万向节连接碳杆再连接风机组成。
位于碳杆最下方的姿态采集模块不断采集风力摆当前姿态角,并返回单片机。
单片机处理数据后通过控制PWM波占空比控制风机转速,实现对风力摆的控制。
本系统结构框图如图一所示。
图1.系统结构框图
1.2轴流风机类型的论证与选择
方案一:
采用两个直径为6cm,电流为1.2A的轴流风机。
采用直径为6cm,电流为1.2A的轴流风机具有体积小、重量轻启动快、动态响应快、易于起停、易于变速的优点。
但缺点是动力小,能给摆杆的作用力较小,不能很快的控制杆的摆动和停止。
方案二:
采用两个直径为9cm,电流为4.5A的轴流风机。
直径为9cm,电流为4.5A的轴流风机虽然反应慢,体积大,较重,但是具有很高的转速,对杆的作用较大,可以使杆很快的摆起或静止,对于题目的完成更有帮助。
方案三:
采用四个直径为6cm,电流为1.2A的轴流风机。
此方案负载最重,但对风力摆控制最为精确,动力足。
综合比较以上三种方案,结合设计所需平稳的控制摆杆摆起的角度,故选择采用四个直径为6cm,电流为1.2A的轴流风机。
1.3单片机的论证与选择
采用AT89C52单片机。
AT89C52单片机是一种低功耗、高性能CMOS
8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
采用STC89C52单片机。
STC系列单片机具有低功耗、高速度、超强抗干扰等优点,具有32K可编程Flash存储器。
方案三:
采用STM32单片机处理速度比一般单片机要快,精度高。
综合比较以上三种单片机。
为了更方便、高精度、高速度地控制系统,完成题目要求,故选择STM32单片机为主控芯片。
1.4电机驱动电路的论证与选择
方案一:
使用L298N芯片。
L298N是一种高电压、大电流电机驱动芯片,最高工作电压可达46V,峰值电流可达3A,持续工作电流为2A。
可以通过I/O口提供信号方便地控制直流电机或步进电机,但是容易发烫。
方案二:
使用BTS7960芯片。
BTS7960芯片是集成的大电流半桥驱动,其内部包含一片NMOS、一片PMOS和一片半桥门集驱动。
其输入信号为标准的TTL电平,直接与单片机相连就可以,降低系统的不稳定因素,而且可以用PWM调速。
综合比较以上两种驱动芯片,由于电路要求精度高、稳定性好,能满足速度变换要求,故选择BTS7960芯片为驱动芯片。
1.5角度测量论证与选择
采用SCA60C传感器。
该传感器抗干扰能力强,功耗低,输入信号为0.5V至4.5V的模拟电压。
SCA60C传感器都相对容易控制和计算,但它们的测量精度不够高,反应速度不够快,无法满足设计的需求。
选用双轴倾角传感器模块LE-60-OEMLE-60-OEM,测量重力加速度变化,转为倾角变化,可测量双向。
具有稳定性高、低功耗、结构简单等优点。
响应速度为5Hz。
它可以测量平衡板和水平方向的夹角,x,y
方向可测,但z轴不可测。
且操作复杂,软件处理难度大。
采用精密可调电位器,采集其可调端随摆杆摆动时输出的电压,经过A/D模数转换变成数字信号后,再将信号交给单片机处理,计算出摆杆偏离中心垂线的度数。
方案四:
采用MPU6050。
MPU6050可测量三轴角速度和三轴加速度,可以测得精确数据用于分析处理,另外它易于固定。
综合比较以上四种传感器,MPU6050更能满足该设计需求。
1.6电源模块的论证与选择
使用单电源接自制线性直流稳压模块。
单电源同时给控制系统和风机供电,方案简单易操作。
但风机转动过程中不仅给电源带来纹波,而且产生反电压容易使单片机烧毁。
且单电源工作负载大,耗电快。
采用双电源供电。
风机驱动电源和控制电源分开,控制电机部分通过光耦隔离。
电机使用12V锂电池供电,单片机控制系统用另一块电池接线性直流稳压源模块供电。
但应用电源较多,不经济。
采用AD220V转CD12V的开关电源,然后用CD12V转CD5V模块,输出稳定电压。
该方案的好处是电源电压特别稳定。
综合比较三种方案,方案三更有优势。
1.7控制算法的选择
采用模糊控制算法,模糊控制有许多良好的特性,它不需要事先知道对象的数学模型,具有系统响应快、超调小、过度过程时间短等优点,但编程复杂,数据处理量大。
采用PID算法,按比例、积分、微分的函数关系,进行运算,将其运算结果用以输出控制。
优点是控制精度高,且算法简单明了。
对于本系统的控制已足够精确,节约了单片机的资源和运算时间。
综合比较以上两种方案,我们选择方案二。
二、理论分析与参数计算
2.1风力摆运动原理分析
如图所示,风扇质量为m,风力为F1,向心力为F2,向心加速度为a1,切线加速度为a2当摆杆摆动角度为α度时,由受力分析得:
当轴流风机在最低点时获得最大角速度
α为16度时,摆50cm,此时角速度最大为1.09度/s
其周期近似为单摆运动周期
当要摆xcm时,角度为
2.2风力摆状态的测量与计算
采用高精度的陀螺加速度计MPU6050不断采集风力摆姿态角数据。
MPU6050集成1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。
MPU6050和所有设备寄存器之间的通信采用400kHz的I2C接口,实现高速通信。
且内置的可编程卡尔曼滤波器,采用最优化自回归数据处理算法精确测量风力摆当前姿态角。
MPU6050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,通过DMP处理器读取测量数据然后通过串口输出。
2.3控制算法的分析
本系统采用PID算法来控制风机转动的速度。
风机开始工作后,姿态采集模块不断采集当前风力摆姿态角状态,并与之前的状态比较,使得风力摆的运动逐渐趋向于平稳。
PID算法控制器由转动角度比例P、角度误差积分I和角度微分D组成。
其输入e(t)与输出U(t)的关系为:
它的传递函数为:
风力摆转动角度比例P:
对风力摆角速度进行比例调整,即对转动使得调整。
比例越大,调节速度越快。
但不能过大,过大可能造成四风机因工作状态突变而摆杆不稳定。
角度误差积分I:
使系统消除稳态误差,提高无差别度。
加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。
本系统追求更快更稳完成对风力摆的控制,因此,本系统对积分调节的需要非常弱。
即保证在不需要时系统不会受到影响。
角度微分D:
微分作用反映风力摆角度的变化率,即角速度。
具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此,可以改善系统的动态性能。
在微分时间选择合适情况下,减少调节时间。
3、系统各模块电路的设计
3.1整体设计
风力摆控制系统主要包括单片机控制模块、电源模块、姿态采集模块、风力摆模块、液晶显示模块、人机交互系统以及风力摆机械结构组成,如图1所示。
3.2驱动电路的设计
驱动电路作为控制系统中重要的电路,选择设计非常重要。
在该系统中,我们设计了H桥驱动电路。
所用芯片为BTN7971。
图2.驱动电路
3.3电源模块设计
电路引入12V直流电源,然后接开关,以便控制整个电路开或关。
但是单片机需要5V供电,故用DC12V——DC5V转换成5V,以便于给单片机供电,如图3所示。
图3.电源模块
3.4控制部分
这一部分由STM32单片机、蓝牙、MPU6050构成,如图4所示。
图4.控制模块
4、系统调试和测试结果
4.1测试仪器
题目设计中用到的测试仪器有:
60M数字存储示波器;
万用表2个,型号FLUKE-17B;
卷尺;
秒表。
4.2测试方法与测试结果
测试方法:
陀螺仪测得的数据通过蓝牙发送给电脑,然后会在上位机程序窗口中显示数据、波形、角度等。
通过万用表测端口是否有信号。
用卷尺测光电画出的距离,并用秒表计时。
测试结果:
1.15s内画出不小于50cm的直线测试
测试次数
1
2
3
4
5
画50cm用时
10s
12s
9s
11s
最大偏差
2.4cm
1.2cm
0.7cm
1.1cm
2.定长度测试
用时
14s
15s
17s
7s
偏差
2.3cm
1.9cm
0.9cm
1.4cm
3.定角度测试