電子設(shè)計大賽風(fēng)板控制系統(tǒng)

1、2015 年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽風(fēng)板控制裝置（ I 題）【高職高專組】2015年 8月 15日摘要本系統(tǒng)以 MSP430單片機(jī)為控制核心，通過 PID 算法，實現(xiàn)了對風(fēng)板的控制。系統(tǒng)主要由電源模塊、角度測量模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、顯示模塊、鍵盤模塊和聲光模塊等構(gòu)成。 通過 PID 反饋輸出 PWM來改變直流風(fēng)機(jī)風(fēng)力大小， 使風(fēng)板轉(zhuǎn)角根據(jù)需求變化。加速度傳感器MPU6050檢測風(fēng)板位置的變化，并將風(fēng)板角度在LCD液晶器上顯示， 同時單片機(jī)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實時調(diào)整PWM輸出，通過驅(qū)動芯片 L298N控制風(fēng)機(jī)風(fēng)速， 使風(fēng)板達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)， 并帶有相應(yīng)的聲光提醒功能 , 使系統(tǒng)人性化，經(jīng)過反復(fù)測試

2、，達(dá)到了設(shè)計要求。關(guān)鍵詞 ：MSP430;PID;PWM;直流風(fēng)機(jī) ;MPU6050目錄1 系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由主控模塊、角度檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、顯示模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。1.1 主控模塊的論證與選擇方案一：采用傳統(tǒng) 8 位的 51 單片機(jī)作為該系統(tǒng)的控制核心。 經(jīng)典 51 單片機(jī)具有價格低廉，使用簡單等特點，但其存在外設(shè) I/O 端口較少，運算速度低，功能單一，不穩(wěn)定等缺點。方案二：采用 TI 公司所生產(chǎn)的 MSP430F149 單片機(jī)為主控制芯片， 運算速度快，超低功耗，有非常豐富的片內(nèi)資源，性價比高。綜合比較以上兩個方案，選擇 TI 公司生產(chǎn)的 430 芯

3、片，在低功耗方面有顯著的優(yōu)勢，處理數(shù)據(jù)快，且其片內(nèi)資源豐富，滿足系統(tǒng)設(shè)計需求。1.2 角度檢測模塊方案論證方案一：采用模擬三軸加速度計MMA7260, MMA7260QT是檢測物件運動和方向的傳感器， 它根據(jù)物件運動和方向改變輸出信號的電壓值。通過 A/D 轉(zhuǎn)換器讀取輸出信號，檢測其運動和方向。方案二：采用 mpu6050傳感器可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動作，并且可調(diào)整感測范圍，可快速、直接將檢測信號給控制器。控制帆板角度是個快速處理的過程，方案一還需采集電路對AD進(jìn)行采集轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，綜合考慮選擇方案二。1.3 電機(jī)驅(qū)動模塊本設(shè)計的主要目的在于控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速， 因此電機(jī)驅(qū)動模塊是必不可少， 其方案

4、有以下兩種。方案一：采用大功率晶體管組合電路構(gòu)成驅(qū)動電路，這種方法結(jié)構(gòu)簡單，成本低、易實現(xiàn)， 但由于在驅(qū)動電路中采用了大量的晶體管相互連接， 使得電路復(fù)雜、抗干擾能力差、 可靠性下降， 我們知道在實際的生產(chǎn)實踐過程中可靠性是一個非常重要的方面。因此此中方案不宜采用。方案二：采用專用的電機(jī)驅(qū)動芯片，例如L298N 、 L297N 等電機(jī)驅(qū)動芯片，由于它內(nèi)部已經(jīng)考慮到了電路的抗干擾能力，安全、可靠行，所以我們在應(yīng)用時只需考慮到芯片的硬件連接、驅(qū)動能力等問題就可以了， 所以此種方案的電路設(shè)計簡單、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好。設(shè)計者不需要對硬件電路設(shè)計考慮很多，可將重點放在算法實現(xiàn)和軟件設(shè)計中，大大的提高

5、了工作效率?；谏鲜隼碚摲治龊蛯嶋H情況，電機(jī)驅(qū)動模塊選用方案二。1.4 顯示模塊方案1方案一：選用常見的數(shù)碼管顯示，成本低，只能顯示簡單的字符和數(shù)字。顯示位數(shù)較多時，輪番掃描占用 CPU時間。方案二：選用 12864 顯示屏做顯示。 12864 的顯示為 128x64，顯示面積大，數(shù)字和漢字顯示容易實現(xiàn)，程序要求不是很高，更加方便。方案三：用彩屏做顯示。彩屏顯示效果好，但成本高，功耗大，編程設(shè)計相對繁瑣。由于系統(tǒng)顯示信息量較多，對比所述方案，選擇12864 作為系統(tǒng)顯示器。1.5 電源模塊方案電源是任何系統(tǒng)能否運行的能量來源， 本系統(tǒng)中電源模塊為主控制器、 電機(jī)驅(qū)動、角度檢測模塊等提供電源。方

6、案一：通過電阻分壓的形式將整流后的電壓分別降為控制芯片和電機(jī)運行所需的電壓，此種方案原理和硬件電路連接都比較簡單，但對能量的損耗大，在實際應(yīng)用系統(tǒng)同一般不宜采用。方案二：通過固定芯片對整流后的電壓進(jìn)行降壓、 穩(wěn)壓處理（如 7812 、7805等），此種方案可靠性、 安全性高，對能源的利用率高， 并且電路簡單容易實現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，采用方案二作為系統(tǒng)的供電模塊。2. 系統(tǒng)理論分析與計算2.1 角度確定風(fēng)板運動過程中需要實時檢測角度的變化， 通過計算加速度傳感器傳回的數(shù)據(jù)，可以測得風(fēng)板的角度，加速度與角度存在如下關(guān)系：2.2 風(fēng)速控制風(fēng)速的快慢直接決定了系統(tǒng)風(fēng)板角度的大小。 通過 pid 調(diào)

7、節(jié) , 單片機(jī)輸出 PWM 波形，可對風(fēng)板進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的調(diào)整。2通過不斷調(diào)整 P(比例 ) 、 I( 積分 ) 、 D（微分）值，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到明顯的提高，響應(yīng)時間也加快了。由各個參數(shù)的控制規(guī)律可知，比例P 使反應(yīng)變快，微分 D使反應(yīng)提前，積分 I 使反應(yīng)滯后。在一定范圍內(nèi)， P， D 值越大，調(diào)節(jié)的效果越好。3. 電路與程序設(shè)計3.1 硬件電路設(shè)計系統(tǒng)總體框圖如圖3.1 所示。電機(jī)模塊聲光報警模塊電源模塊單片機(jī)角度檢測模塊顯示模塊按鍵操作圖 3.1 系統(tǒng)總體框圖單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計MSP430F149單片機(jī)，其最小系統(tǒng)包括電源電路、復(fù)位電路、時鐘電路，具體電路設(shè)計如圖 3.2 所示。圖 3

8、.2最小系統(tǒng)原理圖角度測量設(shè)計3本系統(tǒng)中要實時監(jiān)控風(fēng)板的角度，系統(tǒng)采用 mpu6050傳感器 , 通過計算可迅速得出測量的角度，從而反饋給單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)操作。顯示模塊設(shè)計本系統(tǒng)采用 LCD12864作為顯示，模塊電路圖如圖3.3所示。圖 3.3 LCD12864電路圖直流風(fēng)機(jī)驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動芯片 L298N內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動電路。 是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動器。 L298 可驅(qū)動 2 個電機(jī)， OUT1、OUT2和 OUT3、OUT4之間分別接 2 個電動機(jī)。 5、 7、 10、12 腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)， ENA，ENB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。利用單片機(jī)產(chǎn)生 PW

9、M信號接到 ENA，ENB端子，對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。電機(jī)驅(qū)動電路如圖3.4 所示。圖 3.4 電機(jī)驅(qū)動供電系統(tǒng)電路4在電子電路及設(shè)備中， 一般都需要穩(wěn)定的直流電源供電。 小功率的穩(wěn)壓電源的組成如圖 3.5 所示，它由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成。直流穩(wěn)壓電源電路如圖 3.6 所示。圖 3.5直流穩(wěn)壓電路工作原理圖 3.6LM2596可調(diào)電源模塊3.2 程序設(shè)計程序功能描述根據(jù)設(shè)計要求，軟件部分主要實現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制以及聲光報警與液晶顯示。（1）風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制部分：在鍵盤按下設(shè)定風(fēng)板的角度后，風(fēng)板 15s 內(nèi)處于指定位置并穩(wěn)定 5 秒以上，上下波動不超過 5 度，根據(jù)傳感器測

10、出的距離通過 PID 算法調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)整風(fēng)板的位置。（2）鍵盤設(shè)置部分： 在鍵盤按下后，風(fēng)機(jī)作出相應(yīng)轉(zhuǎn)速， 風(fēng)板達(dá)到指定位置。（3）液晶顯示部分：液晶器顯示風(fēng)板位置及維持時間。程序設(shè)計思路系統(tǒng)程序主要由角度檢測部分，PID 調(diào)節(jié)部分和顯示部分組成。設(shè)定需求角度，通過獲取測量角度值來反饋給單片機(jī)，單片機(jī)做出相應(yīng)的 PWM調(diào)節(jié) , 從而達(dá)到需求的角度。同時液晶將對實時采集的角度和按鍵值信息進(jìn)行顯示。5程序流程圖程序總體流程圖如圖3.7 所示， PWM控制流程圖如圖 3.8 所示， 12864 液晶顯示電路流程圖如圖3.9 所示。開始開始系統(tǒng)初始化初始化N設(shè)定角度Y讀取角度值調(diào)節(jié)電機(jī)采集角度是否

11、需要PID調(diào)Y PID調(diào)節(jié)運節(jié)算輸出液晶顯示NNPwm脈沖調(diào)整達(dá)到設(shè)定值Y結(jié)束電機(jī)驅(qū)動圖 3.7程序主流程圖圖 3.8 PWM控制電路圖 3.9 12864液晶程序流程圖4 系統(tǒng)測試4.1 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、量角器、秒表。4.2 測試方案1、硬件測試對各個模塊進(jìn)行測試，測試通過后使用。2、軟件仿真測試對程序的錯誤和不能正確實現(xiàn)的部分進(jìn)行調(diào)節(jié)和改正。3、硬件軟件聯(lián)調(diào)對整體功能的實現(xiàn)進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)節(jié)。4.3 測試結(jié)果及分析測試結(jié)果a. 風(fēng)板實際角度與角度傳感器角度比較6實測角406080100120130150角度傳感器值405981101

12、120131150b. 風(fēng)板角度與 pwm關(guān)系如表 4.2 所示。測試次數(shù)設(shè)定角度測試結(jié)果測試誤差完成時間145265不帶砝碼38549051156135745865985帶砝碼10901111512135測試分析與結(jié)論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，隨著 PWM 的增加，風(fēng)機(jī)的風(fēng)速逐漸加大，風(fēng)板設(shè)定的角度能維持 35s ，由此可以得出以下結(jié)論：1、風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可通過PWM 調(diào)控且成正比關(guān)系。2、風(fēng)板實際角度與傳感器檢測的角度誤差1 度，當(dāng)穩(wěn)定時，角度誤差小于5 度波動，符合系統(tǒng)要求。7綜上所述，本系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計要求。5 設(shè)計總結(jié)不說我們在電賽中學(xué)到的新知識是多么有價值， 也不用說它拓寬了多少我們的眼界，只是說

13、它讓我們的能力得到提高就已足以成為我們努力付出的回報。在這四天三夜的奮戰(zhàn)中，遇到過很多困難，搭載硬件時，由于對量角器安裝角度有誤差，導(dǎo)致軟件校準(zhǔn)時存在較大誤差，經(jīng)過仔細(xì)排查，不斷改變方案，最終解決了問題。軟件調(diào)試時，PID 參量設(shè)置成了最頭疼的問題，過大調(diào)整系統(tǒng)波動較大，過小調(diào)整風(fēng)板很難達(dá)到預(yù)設(shè)角度。功夫不負(fù)有心人，兩天的幸苦沒有白費，當(dāng)風(fēng)機(jī)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動到達(dá)預(yù)設(shè)角度時，喜悅之情難以言表。理論與現(xiàn)實總是用通過實踐聯(lián)系起來的， 我們在這次比賽中不再是局限于課本或是參考資料中的理論知識，而是把所有的實驗都按部就班的做過，并通過實驗結(jié)果對所理解的知識進(jìn)行了加強(qiáng)鞏固， 更是對原來的理解偏差進(jìn)行了改正，使我

14、們對平時所學(xué)的課程更加透徹。當(dāng)然，我們自己動手焊接了不少硬件電路，用到了大量的基礎(chǔ)知識，還把實習(xí)中學(xué)到的焊接技術(shù)，對以前的知識進(jìn)行了一次整合。再來，它增強(qiáng)了我們的溝通能力。 合作精神是一個團(tuán)隊成立成長的根本所在，我們組的隊員從第一個合作項目起就十分的團(tuán)結(jié)，大家各有分工，共同討論， 為我們?nèi)蘸蟮墓ぷ髂芰Υ蛳铝嘶A(chǔ)。這次大賽給予了我們很多， 通過這次比賽大家一起交流學(xué)習(xí)，互幫互助， 增強(qiáng)了合作意識。 老師們的幫助讓我們感覺老師不再僅僅是一個指導(dǎo)者， 更像一個家長帶領(lǐng)我們成長，讓我們跟老師之間的關(guān)系更加的緊密。最后， 我們衷心感謝我們的指導(dǎo)老師，也祝愿此次大賽圓滿成功！8附錄 1: 電路原理圖9附錄

15、 2：源程序#include <msp430x14x.h>#include "PID.h"#define P_DATA 0.5#define I_DATA 0#define D_DATA 0typedef struct PIDint SetPoint; /設(shè)定目標(biāo) Desired Valuelong SumError; /誤差累計double Proportion; /比例常數(shù) Proportional Constdouble Integral; /積分常數(shù) Integral Constdouble Derivative; /微分常數(shù) Derivative Co

16、nstint LastError; /Error-1int PrevError; /Error-2PID;static PID sPID;static PID *sptr = &sPID;void IncPIDInit(int target)sptr->SumError = 0; /誤差的累加sptr->LastError = 0; /Error-1sptr->PrevError = 0; /Error-2sptr->Proportion =P_DATA; /比例常數(shù) ProportionalConstsptr->Integral=I_DATA; /積分常

17、數(shù) Integral Const10sptr->Derivative =D_DATA; /微分常數(shù) Derivative Constsptr->SetPoint=target;/目標(biāo)/ 增量式 PID 控制設(shè)計void PID_dat(unsigned int target)sptr->SetPoint =target;/目標(biāo)int IncPIDCalc(int NextPoint)register int iError, iIncpid;/ 當(dāng)前誤差iError = sptr->SetPoint - NextPoint;/ 增量計算iIncpid = sptr->

18、;Proportion * iError /Ek項- sptr->Integral * sptr->LastError /Ek1 項+ sptr->Derivative * sptr->PrevError; /Ek2 項/存儲誤差，用于下次計算sptr->PrevError = sptr->LastError;sptr->LastError = iError;/ 返回增量值return(iIncpid);/ 位置式 PID 控制設(shè)計unsigned int LocPIDCalc(int NextPoint)register int iError,dEr

19、ror;iError = sptr->SetPoint - NextPoint; /偏差sptr->SumError += iError;/積分dError = iError - sptr->LastError; /微分11sptr->LastError = iError;return(sptr->Proportion * iError /比例項+ sptr->Integral * sptr->SumError /積分項+ sptr->Derivative * dError); /微分項#include <msp430x14x.h>#

20、include"IIC.h"#include"lcd12864.h"#include <math.h>#include <stdio.h>int cunt=0;uchar dis5; / 顯示數(shù)字 (-511 至 512) 的字符數(shù)組 int dis_data;float Tvae()int data_xyz3;float Roll,Pitch,zz,Q,T,K;data_xyz0=GetData(ACCEL_XOUT_H);/合成數(shù)據(jù)data_xyz1=GetData(ACCEL_YOUT_H);data_xyz2=GetDat

21、a(ACCEL_ZOUT_H);Q=(float)data_xyz0*3.9;/分別是加速度X,Y,Z 的原始數(shù)據(jù)， 10 位的T=(float)data_xyz1*3.9;K=(float)data_xyz2*3.9;12Roll=(float)(atan2(K,T)*180/3.14159265)-90);/X軸角度值return ( -Roll);void lcd_printf(uchar *s,int temp_data)if(temp_data<0)temp_data=-temp_data;*s='-'else *s=' '*+s =temp_d

22、ata/100+'0'temp_data=temp_data%100;/取余運算*+s =temp_data/10+'0'temp_data=temp_data%10;/取余運算*+s =temp_data+'0'*+s='0'void InitMPU6050()/Single_WriteI2C(PWR_MGMT_1, 0x80);/復(fù)位Single_WriteI2C(PWR_MGMT_1, 0x00);/解除休眠狀態(tài)Single_WriteI2C(SMPLRT_DIV, 0x07);/陀螺儀采樣率，典型值： 0x07(125Hz

23、)13Single_WriteI2C(CONFIG,0x06);/低通濾波頻率，典型值： 0x06(5Hz)Single_WriteI2C(GYRO_CONFIG, 0x18); /陀螺儀自檢及測量范圍，典型值： 0x18( 不自檢， 2000deg/s)Single_WriteI2C(ACCEL_CONFIG, 0x01);/加速計自檢 , 測量范圍及高通濾波頻率 , 典型值： 0x01( 不自檢， 2G，5Hz)/*/ 合成數(shù)據(jù)/*int GetData(uchar REG_Address)char H,L;H=Single_ReadI2C(REG_Address);L=Single_Re

24、adI2C(REG_Address+1);return (H<<8)+L;/合成數(shù)據(jù)/*/ 在 12864 上顯示 10 位數(shù)據(jù)/*int Display10BitData(int value)value/=64;/ 轉(zhuǎn)換為 10 位數(shù)據(jù)lcd_printf(dis, value);/ 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)顯示/csj(y,x,dis);return value;14void I2C_Start()SDA1;/拉高數(shù)據(jù)線SCL1;/拉高時鐘線delayus(5);/延時SDA0;/產(chǎn)生下降沿delayus(5);/延時SCL0;/拉低時鐘線/*/I2C停止信號/*void I2C_Stop()

25、SDA0;/拉低數(shù)據(jù)線SCL1;/拉高時鐘線delayus(5);/延時SDA1;/產(chǎn)生上升沿delayus(5);/延時/*/I2C發(fā)送應(yīng)答信號/ 入口參數(shù) :ack (0:ACK 1:NAK)/* void I2C_SendACK(uchar ack)SDAOUT;if(ack) SDA1;else SDA0;/SDA = ack;/寫應(yīng)答信號15SCL1;/拉高時鐘線delayus(5);/延時SCL0;/拉低時鐘線delayus(5);/延時/*/I2C接收應(yīng)答信號/*uchar I2C_RecvACK()uchar cy;SCL1;/拉高時鐘線SDAIN;delayus(5);/延時if(SDADATA)cy=1;elsecy=0;/cy = SDA;/讀應(yīng)答信號SCL0;/拉低時鐘線delayus(5);/延時SDAOUT;return cy;/*16/ 向 I2C 總線發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)/*void I2C_SendByte(uchar dat)uchar i;for (i=0; i<8; i+)/8位計數(shù)器if(dat<<i)&0x80)SDA1;elseSDA0;/ SDA = cy;/送數(shù)據(jù)