电子设计竞赛报告

风力摆控制系统（B 题）【本科组】摘要 系统以 STM32F103ZET6 最小系统单片机为控制核心， 设计制作了风力摆控制 系统。该系统主要包括 STM32 控制模块、电源模块、轴流风机驱动模块、陀螺仪 （MPU6050）及信息采集模块、触摸屏模块。系统通过万向节把摆杆与支架连接 到一起， 杆的下端固定有四个轴流风机，这样可以通过控制四个轴流风机来实现 杆的摆动。陀螺仪固定在轴流风机上端，采集到的信息通过单片机处理后，回馈 给轴流风机。轴流风机用 PWM 控制，采用了 PID 算法，控制的更为精确。操作者 可以通过触摸屏切换不同的功能，人机交互很好。此外，当摆杆达到一定角度后 会有声音提示。 关键词 风力摆 轴流风机 陀螺仪 PID PWM Abstract System with STM32F103ZET6 minimum system microcontroller as the control core, design and manufacture of wind power control system. The system mainly includes STM32 control module, power supply module, axial flow fan drive module, Tuo Luoyi (MPU6050) and information acquisition module, touch screen module. The system is connected with the bracket through the universal joint, and the lower end of the rod is fixed with four axial fans, so that the swing of the rod can be realized by controlling the four axial flow fan. The gyroscope is fixed on the upper end of the axial flow fan, and the information is processed by SCM. PWM control of axial flow fan, using PID algorithm, more accurate control. The operator can switch between different functions through the touch screen, the man-machine interaction is very good. In addition, when the pendulum rod to reach a certain point of view, there will be sound tips. Key word Axial-flow fan Wind pendulum Gyroscope PID PWM一、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 方案一： 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。 方案二：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。1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 方案一：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。 方案二：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。 方案三：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 方案一： 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。 方案二：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。 方案三：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 方案一：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。 方案二：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2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：F2 - mgsin  ma1 F2   2 l  sin  2l - a1gF1 - mgcos  ma2当轴流风机在最低点时获得最大角速度1 m 2 l 2 2 2g（1 - cos）   l mgl（1 - cos） 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T  2l gx 2l当要摆 x cm 时，角度为   arctan2.2 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3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。三、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。4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。5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.控制模块四、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 画 50cm 用 10s 12s 时 最大偏差 2.4cm 1.2cm63 9s 0.7cm4 10s 1.1cm5 11s 1.2cm2.定长度测试 测试次数 1 用时 14s 偏差 2.3cm 3.定角度测试 测试次数 1 用时 17s2 15s 1.2cm3 17s 1.9cm4 10s 0.9cm5 7s 1.4cm2 10s3 14s4 13s5 8s4.快速静止测试 测试次数 1 用时 6s2 4s3 3s4 5s5 4s5.圆周摆动测试 测试次数 1 重复 3 次用 40s 时 偏差 1.2cm2 34s 1.5cm3 36s 1.1cm4 25s 1.4cm5 25s 1.0cm4.3 测试结果分析 系统总体上达到较好的性能。风力摆能够实现题目上的基本要求，且误差在 允许范围内。风力摆运行性能较好，制作成本低，性价比较高。风力摆控制的误 差主 要来源于轴流风机、陀螺仪和风力摆机械结构。轴流风机在低速运动时， 控制存在死区， 低脉宽时电机不运动。 陀螺仪传感器也存在角度死区， 精度不足。 因此， 采用具有更好启动、制动和调速特性轴流风机、精度更高的陀螺仪传感 器改进硬件结构，以消除控制误差，使控制精度更高。7附录附录 1：参考文献参 考 文 献[1] 华中科技大学电子技术课程组编， 康光华主编. 电子技术基础.模拟部分.第 2 版.北京: 高等教育出版,2006 [2] 张毅刚主编. 单片机原理及应用.北京:高等教育出版,2004 [3] 李洋主编. 现在电子技术与创新.北京:中国电力出版社,2007 [4] 求是科技编著. 单片机典型模块设计实例导航。第 2 版.北京:人民邮电出版,2008附录 2：电路原理图图58附录 3：程序流程图图6附录 4：实物图9