風力擺控制系統(tǒng)電子設計大賽報告.doc

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2015年全國大學生電子設計競賽 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，與電機驅動模塊，直流風機、萬向節(jié)、擺桿、反饋裝置一起構成擺桿角度和電機角速度的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。由于直流電機屬于一階慣性，經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系模型。選擇直流風機驅動擺桿擺動，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)?？刂品绞讲捎肞ID控制，比例環(huán)節(jié)進行快速響應，積分環(huán)節(jié)實現(xiàn)無靜差，微分環(huán)節(jié)減小超調，加快動態(tài)響應。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，同時具有很好的抗擾動性能。 關鍵詞：STC89C52 直流風機 加速度 自由擺 目 錄 1系統(tǒng)方案 1 1.1 角度傳感器模塊的論證與選擇 1 1.2 風機驅動模塊的論證與選擇 1 1.3 電源模塊的論證與選擇 1 1.4 主控制器的論證與選擇 1 2系統(tǒng)理論分析與計算 1 2.1 XXXX的分析 1 2.1.1 XXX 1 2.1.2 XXX 1 2.1.3 XXX 1 2.2 XXXX的計算 1 2.2.1 XXX 1 2.2.2 XXX 1 2.2.3 XXX 1 2.3 XXXX的計算 2 2.3.1 XXX 2 2.3.2 XXX 2 2.3.3 XXX 2 3電路與程序設計 2 3.1電路的設計 2 3.1.1系統(tǒng)總體框圖 2 3.1.2 XXXX子系統(tǒng)框圖與電路原理圖 2 3.1.3 XXXX子系統(tǒng)框圖與電路原理圖 2 3.1.4電源 2 3.2程序的設計 2 3.2.1程序功能描述與設計思路 2 3.2.2程序流程圖 3 4測試方案與測試結果 3 4.1測試方案 3 4.2 測試條件與儀器 3 4.3 測試結果及分析 3 4.3.1測試結果(數(shù)據(jù)) 3 4.3.2測試分析與結論 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、軸流風機驅動模塊、機械結構模塊、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過信號調理的電壓輸出，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轉換電路，從而電路結構復雜化。 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，足以驅動1.4A的軸流風機。但是該芯片必須從1.2A開始調節(jié)電流，對于題中擺桿起振時驅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。這種調速方式具有調速特性優(yōu)良、調整平滑、調速范圍廣、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可調整輸出電壓。 從圖中可以看出該電路較為復雜，不利于旋轉裝置的輕簡化。 方案二：采用12V，30A足功率 LED 監(jiān)控設備開關電源，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 機械結構的分析 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7~9倍，抗拉彈性模量為230~430Gpa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 XXXX 2.1.3 底座 XXXX 2.2 XXXX的計算 2.2.1 XXX XXXX 2.2.2 XXX XXXX 2.2.3 XXX XXXX 2.3 XXXX的計算 2.3.1 XXX XXXX 2.3.2 XXX XXXX 2.3.3 XXX XXXX 3電路與程序設計 3.1電路的設計 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程序的設計 3.2.1程序功能描述與設計思路 1、程序功能描述 根據(jù)題目要求軟件部分主要實現(xiàn)鍵盤的設置和顯示。 1）鍵盤實現(xiàn)功能：設置頻率值、頻段、電壓值以及設置輸出信號類型。 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 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 測試結果及分析 4.3.1測試結果(數(shù)據(jù)) 2V檔信號測試結果好下表所示： （單位/V） 信號值 0.2050 0.2100 0.2045 0.4026 1.007 1.542 1.669 1.999 顯示 0.2051 0.2100 0.2044 0.4026 1.006 1.542 1.669 1.999 4.3.2測試分析與結論 根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX，由此可以得出以下結論： 1、 2、 3、 綜上所述，本設計達到設計要求。 7 附錄1：電路原理圖 附錄2：源程序