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风力摆论文

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15日

摘要

本风力摆系统由继电器、单片机控制模块、角速度传感器模块、电源模块、风力摆装置五部分组成。

本团队风力摆系统以STC单片机为控制核心，配合合适的开关控制系统，通过编程实现对电机使能端或PWM信号输出的调节，控制轴流风机的转速；本系统使用角速度传感器模块和LCD液晶显示模块实时显示系统运动状态；此外，本系统拟采用PID算法对运动方向和运动速度进行修正，实现系统控制和误差修正。

经测试，在题目指定时间内下，系统通过STC12C5A60S2单片机调节电磁继电器的通断时间，配合20V直流电压源,能稳定的在地面画出一条大于50cm的直线段，且线性偏差在2.48左右；该系统可以从静止开始，画出长度在30至50cm不可设置的直线，但长度偏差略大于2.5cm；同时，本系统使用89C52芯片和mpu6050传感器实现三轴加速度与角速度液晶屏显示。

关键词：

风力摆，单片机，继电器，轴流风机，角速度传感器

1系统方案1

1.1风力摆制作的论证与选择1

1.3控制系统的论证与选择1

2系统设计1

2．1总体设计1

2.2电路的设计2

2.2.1系统总体框图2

2.2.2单片机控制模块电路原理图2

2.2.3传感器模块电路原理图3

2.2.4电机驱动模块3

2.2.5电源4

2.3程序的设计4

2.3.1程序功能描述与设计思路4

2.3.2程序流程图4

3测试方案与测试结果5

3.1测试方案5

3.2测试条件与仪器5

3.3测试结果及分析5

3.3.1测试结果（部分数据）5

3.3.2测试分析与结论6

附录1：

电路原理图7

附录2：

源程序8

风力摆控制系统（B题）

【本科组】

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、角度传感器模块、风力摆模块、液晶显示模块以及风力摆装置。

风力摆支架通过万向节连接碳杆，流风机与碳素纤维杆尾端相连。

位于碳杆下端的角度传感器模块采集系统的姿态角。

单片机控制液晶显示加速度和角加速度数据，并处理数据后通过继电器或电压驱动模块控制风机转速，实现对风力摆的控制。

1.1风力摆制作的论证与选择

方案一：

采用2只直流风机作为动力系统。

流风机并排反向放置，通过细管或棒（如碳素纤维管、PVC管等）通过万向节固定在一支架上。

此方案风力摆负载轻，系统较稳定，控制较方便。

方案二：

采用粗单股导线（减少自旋）将风力摆吊挂在支架上。

导线减小了自旋干扰，但容易形变，控制较复杂。

综合以上两种方案，选择方案一。

1.2角速度传感器的论证与选择

方案一：

采用基于ADXL335芯片的GY-61陀螺仪模块。

GY-61是三维角度传感器，可采集和处理姿态角数据，但其输出模拟信号，需要用具有A/D转换功能的控制芯片，程序处理繁琐。

方案二：

采用MPU6050三轴传感器模块。

该模块输出为数字信号，程序处理较简单，可以直接连接上位机进行加速度和角加速度监测。

综合以上两种方案，选择方案二。

1.3控制系统的论证与选择

方案一：

采用STC12C5A60S作为控制芯片，通过继电器控制流风机的高低电平。

STC12C5A60S2系列单片机具有脉宽调节模式，可以通过程序设定改变PWM输出，通过控制开关调节直流风机的高低转速。

该方案控制简便，程序设置简单，处理速度较快，同时避免了驱动模块的压降损耗，可用于风力摆系统走直线路径。

方案二：

采用89C52芯片和电机驱动模块实现系统控制。

L298N电机驱动模块启动性能好，启动转矩大，可以通过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。

程序较复杂，可实现较精确转圈和急停等动作。

故实现走直线和急停的要求选择方案一，实现可设置长度的直线路径及静止点转圈需选择方案二

2系统设计

2．1总体设计

将两个直流轴流风机固定在平板上（轴流风机规格：

24V，1.68A），用制作好的直杆将平板固定好，并用万向节将连接平板的直杆固定到支架上，用20V的电源提供电源信号，传到控制模块控制来控制轴流风机的转动，用继电器使轴流风机的交替转动，通过传感器测量转动角度，并用激光笔画出规定路径及距离

2.2电路的设计

2.2.1系统总体框图

图2.2.1系统总体框图

2.2.2单片机控制模块电路原理图

STC12C5A60S2单片机不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的具有大容量程序存储器且是FLASH工艺的，内部就自带高达60KFLASHROM,这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。

而且STC系列单片机支持串口程序烧写。

显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。

2.2.3传感器模块电路原理图

MPU-6050是9轴运动处理传感器。

它集成了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，可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器。

MPU-6050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，陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度计可测范围为±2，±4，±8，±16g。

2.2.4电机驱动模块

L298N是直流电机的专用驱动芯片，最高电压可达46V，单路最高的电流可达2A。

它内部由8管构成的双路H桥式驱动电路。

L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。

可以方便的驱动两个直流电机或一个两相步进电机。

L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS接4.5～7V电压以驱动芯片。

4脚VS接电源电压用于驱动直流电机，其电压范围为＋2.5～46V。

输出电流最大可达2.5A，可驱动电感性负载。

1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。

L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接一个直流电动机或步进机，本实验装置我们只需驱动一台电动机，即使用A通道，IN1/IN2脚接输入控制电平，控制电机的转速和方向。

ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转,本设计中IN1接PWM信号,IN2低电平。

下表是L298N功能逻辑图

L298N的控制方式

ENA

IN1

IN2

运转状态

停止

正转

反转

刹停

停止

2.2.5电源

本系统采用20V直流电源，由于轴流风机的额定电压为24V，为保证轴流风机告诉运行且损耗较小，故选择20V直流电源。

2.3程序的设计

2.3.1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

2.3.2程序流程图

是

否

1、主程序流程图

3测试方案与测试结果

3.1测试方案

1、硬件测试

将各个模块按照设计的电路图连接并接通电源，使各个模块可以工作，用万用表测定各模块的输入输出电压，并与理论值进行比较，测试各个模块是否可以正常工作。

2、软件仿真测试

3、硬件软件联调

将写好的程序传入到单片机中，通过单片机和继电器的共同控制，使轴流风机摆动，进行各个要求的测试，并进行不断的调试，使之符合规定要求

3.2测试条件与仪器

测试条件：

通过让轴流风机摆动使摆动轨迹与长度与要求相符

测试仪器：

刻度尺，量角器

3.3测试结果及分析

3.3.1测试结果（部分数据）

延时参数（ms）

距离（cm）

左移距离（cm）

距离（cm）

右移距离（cm）

移动距离（cm）

3000

平均

15.5

9.5

19.5

4000　

平均

9.5

15.5

44.5

19.5

5000

平均

46.66666

21.66666667

39.66666667

6000

5.5

19.5

41.5

平均

5.5

19.5

41.5

7000

平均

5.333333

19.66666667

48.66666

23.66666667

43.33333333

7250

平均

6.5

18.5

41.5

3.3.2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

继电器控制主程序

#include

#include"Init.h"

sbitRUNA=P1^0;

sbitRUNB=P1^1;

voidDelay（unsignedinti）;

voidEnable（charID,bitEN）

{

//P0M1=0x02;//00000010

//P0M0=0x08;//00001000P0^3推挽输出P0^1高阻态

if（ID==1）

{

RUNA=~EN;

}

elseif（ID==2）

{

RUNB=~EN;

}

voidmain（void）

{

while

（1）

{

Enable（1,0）;

Enable（2,1）;

Delay（6500）;

Enable（1,1）;

Enable（2,1）;

Delay（1000）;

Enable（1,1）;

Enable（2,0）;

Delay（6500）;

}

voidDelay（unsignedintms）//1ms@12.000MHz

{

unsignedchari,j;

{

_nop_（）;

i=12;

j=168;

{

while（--j）;

}while（--i）;

}

while（--ms）;

}

mpu6050主程序

#include

#include//Keillibrary

#include

typedefunsignedcharuchar;

typedefunsignedshortushort;

typedefunsignedintuint;

//****************************************

//定义51单片机端口

//****************************************

#defineDataPortP0//LCD1602数据端口

sbitSCL=P1^0;//IIC时钟引脚定义

sbitSDA=P1^1;//IIC数据引脚定义

sbitLCM_RS=P2^0;//LCD1602命令端口

sbitLCM_RW=P2^1;//LCD1602命令端口

sbitLCM_EN=P2^2;//LCD1602命令端口

//****************************************

//定义MPU6050内部地址

//****************************************

#defineSMPLRT_DIV0x19//陀螺仪采样率，典型值：

0x07（125Hz）

#defineCONFIG0x1A//低通滤波频率，典型值：

0x06（5Hz）

#defineGYRO_CONFIG0x1B//陀螺仪自检及测量范围，典型值：

0x18（不自检，2000deg/s）

#defineACCEL_CONFIG0x1C//加速计自检、测量范围及高通滤波频率，典型值：

0x01（不自检，2G，5Hz）

#defineACCEL_XOUT_H0x3B

#defineACCEL_XOUT_L0x3C

#defineACCEL_YOUT_H0x3D

#defineACCEL_YOUT_L0x3E

#defineACCEL_ZOUT_H0x3F

#defineACCEL_ZOUT_L0x40

#defineTEMP_OUT_H0x41

#defineTEMP_OUT_L0x42

#defineGYRO_XOUT_H0x43

#defineGYRO_XOUT_L0x44

#defineGYRO_YOUT_H0x45

#defineGYRO_YOUT_L0x46

#defineGYRO_ZOUT_H0x47

#defineGYRO_ZOUT_L0x48

#definePWR_MGMT_10x6B//电源管理，典型值：

0x00（正常启用）

#defineWHO_AM_I0x75//IIC地址寄存器（默认数值0x68，只读）

#defineSlaveAddress0xD0//IIC写入时的地址字节数据，+1为读取

//****************************************

//定义类型及变量

//****************************************

uchardis[4];//显示数字（-511至512）的字符数组

intdis_data;//变量

//intTemperature,Temp_h,Temp_l;//温度及高低位数据

//****************************************

//函数声明

//****************************************

voiddelay（unsignedintk）;//延时

//LCD相关函数

voidInitLcd（）;//初始化lcd1602

voidlcd_printf（uchar*s,inttemp_data）;

voidWriteDataLCM（uchardataW）;//LCD数据

voidWriteCommandLCM（ucharCMD,ucharAttribc）;//LCD指令

voidDisplayOneChar（ucharX,ucharY,ucharDData）;//显示一个字符

voidDisplayListChar（ucharX,ucharY,uchar*DData,L）;//显示字符串

//MPU6050操作函数

voidInitMPU6050（）;//初始化MPU6050

voidDelay5us（）;

voidI2C_Start（）;

voidI2C_Stop（）;

voidI2C_SendACK（bitack）;

bitI2C_RecvACK（）;

voidI2C_SendByte（uchardat）;

ucharI2C_RecvByte（）;

voidI2C_ReadPage（）;

voidI2C_WritePage（）;

voiddisplay_ACCEL_x（）;

voiddisplay_ACCEL_y（）;

voiddisplay_ACCEL_z（）;

ucharSingle_ReadI2C（ucharREG_Address）;//读取I2C数据

voidSingle_WriteI2C（ucharREG_Address,ucharREG_data）;//向I2C写入数据

//****************************************

//整数转字符串

//****************************************

voidlcd_printf（uchar*s,inttemp_data）

{

if（temp_data<0）

{

temp_data=-temp_data;

*s='-';

}

else*s='';

*++s=temp_data/100+0x30;

temp_data=temp_data%100;//取余运算

*++s=temp_data/10+0x30;

temp_data=temp_data%10;//取余运算

*++s=temp_data+0x30;

}

//****************************************

//延时

//****************************************

voiddelay（unsignedintk）

{

unsignedinti,j;

for（i=0;i

{

for（j=0;j<121;j++）;

}

//****************************************

//LCD1602初始化

//****************************************

voidInitLcd（）

{

WriteCommandLCM（0x38,1）;

WriteCommandLCM（0x08,1）;

WriteCommandLCM（0x01,1）;

WriteCommandLCM（0x06,1）;

WriteCommandLCM（0x0c,1）;

DisplayOneChar（0,0,'A'）;

DisplayOneChar（0,1,'G'）;

}

//****************************************

//LCD1602写允许

//****************************************

voidWaitForEnable（void）

{

DataPort=0xff;

LCM_RS=0;LCM_RW=1;_nop_（）;

LCM_EN=1;_nop_（）;_nop_（）;

while（DataPort&0x80）;

LCM_EN=0;

}

//****************************************

//LCD1602写入命令

//****************************************

voidWriteCommandLCM（ucharCMD,ucharAttribc）

{

if（Attribc）WaitForEnable（）;

LCM_RS=0;LCM_RW=0;_nop_（）;

DataPort=CMD;_nop_（）;

LCM_EN=1;_nop_（）;_nop_（）;LCM_EN=0;

}

//****************************************

//LCD1602写入数据

//****************************************

voidWriteDataLCM（uchardataW）

{

WaitForEnable（）;

LCM_RS=1;LCM_RW=0;_nop_（）;

DataPort=dataW;_nop_（）;

LCM_EN=1;_nop_（）;_nop_（）;LCM_EN=0;

}

//****************************************

//LCD1602写入一个字符

//****************************************

voidDisplayOneChar（ucharX,ucharY,ucharDData）

{

Y&=1;

X&=15;

if（Y）X|=0x40;

X|=0x80;

WriteCommandLCM（X,0）;

WriteDataLCM（DData）;

}

//****************************************

//LCD1602显示字符串

//****************************************

voidDisplayListChar（ucharX,ucharY,uchar*DData,L）

{

ucharListLength=0;

Y&=0x1;

X&=0xF;

while（L--）

{

DisplayOneChar（X,Y,DData[ListLength]）;

ListLength++;

X++;

}

//**************************************

//延时5微秒（STC90C52RC@12M）

//不同的工作环境,需要调整此函数

//当改用1T的MCU时,请调整此延时函数

//**************************************

voidDelay5us（）

{

_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;

}

//**************************************

//I2

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