風(fēng)力擺控制系統(tǒng)

1、風(fēng)力擺控制系統(tǒng)摘要本系統(tǒng)是基于STC15F2K60S2單片機(jī)的風(fēng)力擺控制系統(tǒng)，其中包含軸流風(fēng)機(jī)及其調(diào)速模塊、電源模塊、角度檢測(cè)模塊、鍵盤及顯示模塊等。根據(jù)單擺運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)的基本原理，分別計(jì)算其方位角度和幅度，對(duì)軸流風(fēng)機(jī)的單擺運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)行指定路徑的控制。在控制過程當(dāng)中，根據(jù)基本模式和發(fā)揮模式的要求，確定初始的方位角度和幅度，并設(shè)置出運(yùn)動(dòng)的軌跡，利用三維角度傳感器ADXL345進(jìn)行角度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將其換算為軸流風(fēng)機(jī)的方位和角度。最后通過與預(yù)定的方位角度的值來設(shè)置各個(gè)風(fēng)機(jī)控制信號(hào)的占空比，從而控制軸流風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)檢測(cè)到風(fēng)機(jī)的方位位置到達(dá)指時(shí)定的位置時(shí)，將風(fēng)機(jī)的運(yùn)行模式切換到停止模式，使得

2、風(fēng)機(jī)在指定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)預(yù)定的軌跡。關(guān)鍵字：STC15F2K60S2 ADXL345 PWM 軸流風(fēng)機(jī)AbstractThis system is based on the STC15F2K60S2 microcontroller of the wind pendulum control system, which contains the axial flow fan and its speed control module, power module, angle detection module, keyboard and display module, etc. According to

3、 the basic principle of pendulum motion and circular motion, respectively, to calculate the azimuth angle and magnitude, of axial flow fan pendulum and the circular motion of specified path control. In the control process, according to the basic mode and the requirements of the model, determine the

4、initial direction and amplitude, and set up the trajectory of the movement, the use of three-dimensional angle sensor ADXL345 real-time detection, and its conversion to the axial flow fans position and angle. Finally, the duty ratio of the control signal of each fan is set up by the value of the pre

5、determined azimuth angle. When the position of the wind turbine is detected, the operating mode of the fan is switched to the stop mode, which makes the wind turbine reach the predetermined trajectory within the specified time.Key words: ADXL345 PWM STC15F2K60S2 axial flow fan目錄1系統(tǒng)方案51.1 模塊論證與選擇52 理

6、論分析與計(jì)算72.1 單擺運(yùn)動(dòng)受力分析82.2 圓周運(yùn)動(dòng)受力分析93系統(tǒng)設(shè)計(jì)103.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)103.2 電路設(shè)計(jì)103.2 軟件設(shè)計(jì)134 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試144.1 測(cè)試儀器144.2 基本要求測(cè)試數(shù)據(jù)144.3 結(jié)果分析155總結(jié)15附錄：161 電路原理圖162 儀器設(shè)備及元器件清單163 程序清單171系統(tǒng)方案本系統(tǒng)的功能是要控制風(fēng)力擺，使它下面懸掛的激光筆可以畫出題目要求的直線段或者圓，并且方向大小可以控制。所以本系統(tǒng)主要由主控制器模塊、電源模塊、角度檢測(cè)模塊、軸流風(fēng)機(jī)、按鍵及顯示模塊組成。圖1-1系統(tǒng)框圖1.1 模塊論證與選擇(1) 主控制器模塊方案一：選用高速、高可靠、低功耗、

7、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片STC15F2K60S2，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成高精度R/C時(shí)鐘(0.3%)，1%溫飄，常溫下溫飄0.6%，5MHz35MHz寬范圍可設(shè)置，可徹底省掉外部昂貴的晶振和外部復(fù)位電路。3路CCP/PWM/PCA，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，內(nèi)置2K字節(jié)大容量SRAM，2組高速異步串行通信端口，1組高速同步串行通信端口SPI，針對(duì)多串行口通信針對(duì)多串行口通信多串行口通信/電機(jī)控制/強(qiáng)干擾場(chǎng)合。方案二：選用TI公司的MSP430F5529，它是基于RISC架構(gòu)的16位超低功耗單片機(jī)，采用精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，指令均為單周期指令，功能強(qiáng)，運(yùn)行速度

8、快。內(nèi)部集成256KB閃存和16KB的RAM，在1.8V3.6V的工作電壓范圍內(nèi)性能高達(dá)25MIPS，包含一個(gè)用于優(yōu)化功耗的創(chuàng)新電源管理模塊。其功耗已經(jīng)達(dá)到了微安級(jí)。MSP430F5529內(nèi)部集成有多通道、高速A/D抓換模塊ADC12，能提供多通道12位精度的A/D轉(zhuǎn)換，其最大采樣速率可以達(dá)到200ksps。結(jié)論：綜合以上分析，STC15F2K60S2即可達(dá)到題目所提要求，為節(jié)省成本，我們決定使用方案一。（2）軸流風(fēng)機(jī)選用臺(tái)達(dá)電子的AFC0612DE，尺寸為90*90*38mm，高精度雙滾珠軸承，標(biāo)準(zhǔn)電壓12V，電流2.5A，風(fēng)量為39.17-180.97CFM，轉(zhuǎn)速參考為550010%RPM

9、具備充足的散熱風(fēng)量和風(fēng)壓。（3）電源模塊由于我們所選軸流風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)電壓為12V，所以電源選用s-15-12，輸出12v電壓，高效率，高可靠、低成本開關(guān)選擇輸入電壓范圍100%滿負(fù)荷燒機(jī)測(cè)試保護(hù)特性：短路/過載。（4）角度檢測(cè)模塊方案一：陀螺儀是用高速回轉(zhuǎn)的動(dòng)量矩敏感殼體相對(duì)慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個(gè)或兩個(gè)軸的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置。它具有兩個(gè)特性：定軸性和進(jìn)動(dòng)性，這兩種特性都是建立在角動(dòng)量守恒的原則下。其定軸性受一下物理量而改變：轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)子角速度。其進(jìn)動(dòng)性由一下三個(gè)因素影響：外界作用力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)子角速度。方案二：ADXL345是一款小而薄的超低功耗三軸加速度計(jì)。分辨率高達(dá)13位，測(cè)量

10、范圍達(dá)16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過SPI或I2C數(shù)字接口訪問。非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用。它可以在傾斜檢測(cè)中測(cè)量靜態(tài)重力加速度，還可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度。高分辨率，能夠測(cè)量不到1.0的傾斜角度變化。結(jié)論：綜合以上分析，ADXL345較為精簡(jiǎn)且精度較高，可以較好的控制，結(jié)合題目要求我們決定選用方案二。(5) 顯示模塊方案一：LCD240128顯示器，結(jié)構(gòu)輕、薄、帶背光；IC 采用ST7567,功能強(qiáng)大，穩(wěn)定性好；功耗低；可顯示內(nèi)容豐富，包括中文，英文，數(shù)字，符號(hào)等；指令功能強(qiáng)；接口簡(jiǎn)單方便:采用4 線SPI 串行接口；工作溫度寬:-20 - 70。方案二: LCD16

11、02顯示器，是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣液晶模塊。與LCD12864相比最大的缺點(diǎn)是不能顯示中文。結(jié)論：綜合以上分析，由于我們的設(shè)計(jì)要求顯示中文字符，所以最終選用方案一。2 理論分析與計(jì)算通過分析確定風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)的控制算法。2.1 單擺運(yùn)動(dòng)受力分析圖2-1單擺運(yùn)動(dòng)時(shí)風(fēng)力擺受力示意圖L:細(xì)管長度；:細(xì)管與垂直方向的夾角；x：要求實(shí)現(xiàn)的直線段長度；F：合力；F1：細(xì)管的拉力；根據(jù)圖2可得如下公式：忽略空氣阻力時(shí)，；（1）；（2）由（2）式可得：根據(jù)題目要求（1），要求畫出大于50cm的直線段長度，即當(dāng)x=50cm，L=70cm，h=20時(shí)：；根據(jù)題目要求（2），要求畫出直線段長度在30

12、60cm內(nèi)可設(shè)置，所以，根據(jù)（2式）得如下計(jì)算：x=60cm，L=70cm，h=20時(shí)，即最大角度：x=30，L=70cm，h=20時(shí)，即最小角度：通過以上計(jì)算可以知道，針對(duì)基本要求部分，風(fēng)力擺的角度應(yīng)該在9.46218.435內(nèi)。由于角度較大，并非簡(jiǎn)諧振動(dòng)，用如下公式計(jì)算大角度單擺周期：；由上式得：；2.2 圓周運(yùn)動(dòng)受力分析圖2-2風(fēng)力擺圓周運(yùn)動(dòng)模型及受力分析示意圖F1：細(xì)管拉力的水平分量；F2：細(xì)管拉力的鉛直分量；Fn：細(xì)管的拉力；風(fēng)力擺做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)如圖2-2所示，當(dāng)所要求激光筆畫出的半徑確定時(shí)，圖3中 角就可以確定，保持 角大小不變，可得公式：；（1）；（2）；（3）根據(jù)題目要求，當(dāng)所畫

13、圓的半徑在1535cm之間，L=70cm，h=20cm時(shí)，通過（2），（3）式，我們可以算得：最大擺動(dòng)角度：；周期：；最小擺動(dòng)角度：；周期：；3系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.2 電路設(shè)計(jì)1 電源電路圖3-2電源電路電源模塊我們使用的S-15-12，提供的12V電壓，接到繼電器，開關(guān)控制風(fēng)機(jī)通斷，開通時(shí)給風(fēng)機(jī)提供12V電壓，使其正常工作，另外經(jīng)過L7805轉(zhuǎn)化為5V電壓，為單片機(jī)提供5V供電電壓，使其正常工作。我們通過一個(gè)按鍵來控制單片機(jī)的開關(guān)以及USB接口，這樣有效的節(jié)約了資源并且方便使用。2主控制電路圖3-3主控制電路主控制器電路為STC14F2K60S2最小系統(tǒng)。外接四塊排

14、針引出端口，方便連接LCD12864顯示屏，按鍵模塊，ADXL345。P0口可復(fù)用為地址數(shù)據(jù)總線使用，不是做A/D轉(zhuǎn)換使用。A/D轉(zhuǎn)換通道在P1口。P5.4、RST/MCLKO腳出廠時(shí)默認(rèn)為I/O口，做RST復(fù)位腳時(shí)，須在編程燒錄時(shí)將其設(shè)置為RST復(fù)位腳（高電平復(fù)位）。內(nèi)部集成高可靠復(fù)位和高精度晶振，但也可使用外部復(fù)位和晶振。3 按鍵電路圖3-4按鍵電路五個(gè)按鍵在電路板上分為上、下、左、右、中間各一個(gè)，上按鍵控制向上一行，下按鍵控制向下一行，右按鍵控制返回上一頁，做按鍵為復(fù)位功能使用，中間按鍵為確定鍵，實(shí)現(xiàn)對(duì)功能的選擇作用。首先通過上下按鍵選擇基礎(chǔ)部分或者發(fā)揮部分，右鍵確認(rèn)后再通過上下鍵選擇具

15、體要求，即要完成的任務(wù)。4 顯示電路圖3-5顯示電路通過LCD240128顯示模式選擇，通過按鍵選擇基礎(chǔ)部分或發(fā)揮部分，確認(rèn)后屏幕將顯示具體要求，通過上下按鍵選擇具體要求即可。電路圖中可見LCD12864的3管腳外接一個(gè)可變電阻，我們通過它來調(diào)節(jié)顯示屏的亮度。這個(gè)模塊是我們?cè)O(shè)計(jì)的亮點(diǎn)之一，屬于發(fā)揮部分。5 風(fēng)機(jī)接口電路圖3-6風(fēng)機(jī)接口電路兩個(gè)風(fēng)機(jī)接口連接兩個(gè)風(fēng)機(jī)，通過S-15-12電源提供12V供電電壓，并外接一個(gè)按鍵開關(guān)，從而方便的控制風(fēng)機(jī)的啟停。同時(shí)，各個(gè)風(fēng)機(jī)的1管腳連接CD4051輸出的兩個(gè)脈沖，從而控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)速大小。6 角度檢測(cè)電路圖3-7角度檢測(cè)電路三維角度傳感器ADXL345的時(shí)

16、鐘和數(shù)據(jù)管腳連接到單片機(jī)。在風(fēng)力擺運(yùn)行的過程中，三維角度傳感器不斷地將檢測(cè)到的角度實(shí)時(shí)反饋給單片機(jī)，當(dāng)達(dá)到要求角度時(shí)，控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)換與啟停。3.2 軟件設(shè)計(jì)1主程序流程圖主程序判斷按鍵選擇的功能，針對(duì)選擇的功能進(jìn)行控制，使機(jī)械完成要求的動(dòng)作，同時(shí)顯示動(dòng)作是否成功達(dá)成，如果成功，將會(huì)顯示動(dòng)作成功。2功能選擇模塊流程圖進(jìn)入基本功能后，開始順序進(jìn)行基本要求四個(gè)功能，完成后顯示動(dòng)作成功完成。4 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試4.1 測(cè)試儀器示波器、秒表、量尺、風(fēng)速計(jì)4.2 基本要求測(cè)試數(shù)據(jù)基本要求1：長度（cm）時(shí)間（s）線性度偏差（cm）5072.5數(shù)據(jù)分析：根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，系統(tǒng)滿足題目基本測(cè)試內(nèi)容一的具體數(shù)據(jù)要求。

17、基本要求2：設(shè)定長度（cm）實(shí)測(cè)長度（cm）長度偏差（cm）時(shí)間（s）30311.08.240422.08.750491.09.2數(shù)據(jù)分析：從上表可知，設(shè)定3060cm內(nèi)的長度，我們的系統(tǒng)可以較好地，以較高精度，2.0cm以內(nèi)的誤差完成指標(biāo)?；疽?：設(shè)定方向（度）實(shí)際方向（度）長度（cm）時(shí)間（s）0-319133027131760641519數(shù)據(jù)分析：由上表可知，在一定的角度內(nèi)，可以完成題目的要求，但由于我們只使用了兩個(gè)軸流風(fēng)機(jī)，所以只能在一個(gè)象限內(nèi)完成基本要求3的任務(wù)指標(biāo)。基本要求4：拉起角度（度）回到靜止時(shí)間（s）3510數(shù)據(jù)分析：由于我們的機(jī)械原因，產(chǎn)生各種誤差，風(fēng)機(jī)的平衡沒辦法精

18、確的掌握，所以要求四沒有達(dá)到題目要求的指標(biāo)。4.3 結(jié)果分析經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在3060cm的長度設(shè)定內(nèi)，可以精確的獲得所要求的直線段長度。對(duì)于基本要求1，線性度誤差控制在2.5cm之內(nèi)，并且在較短的時(shí)間內(nèi)完成動(dòng)作，完全在題目要求的時(shí)間內(nèi)，并有很大的余留。對(duì)于基本要求2，我們的系統(tǒng)將誤差控制在了2.0cm之內(nèi)，并且畫出較高精度的直線段?；疽?由于我們只用了兩個(gè)風(fēng)機(jī)，所以只能在一個(gè)向限內(nèi)完成設(shè)定角度畫直線段的要求?；疽笏挠捎跈C(jī)械原因，例如風(fēng)機(jī)的安裝，平衡，影響較大，所以沒有完成題目要求的指標(biāo)。5總結(jié)“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，這是我們從這次競(jìng)賽中切身體會(huì)到的，經(jīng)過我們堅(jiān)持不懈的努力，周密的思考設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案，合理構(gòu)建各模塊部件的性能指標(biāo)