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
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