2015全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽B題風(fēng)力擺設(shè)計(jì)報(bào)告

2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽

風(fēng)力擺控制系統(tǒng)（B題）2015年8月15日摘要本文以IAP單片機(jī)為控制核心，可以在運(yùn)行過程中對UserFlash的部分區(qū)域進(jìn)行燒寫；MPU605促陀螺儀與加速度傳感器的結(jié)合，可實(shí)時(shí)檢測出風(fēng)力擺的狀態(tài)并由單片機(jī)處理后通過PID控制算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制以此來達(dá)到風(fēng)力擺的動態(tài)平衡。系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，控制精度高。風(fēng)力擺運(yùn)行狀態(tài)由液晶顯示，智能性好，反應(yīng)速度快，具有良好的人機(jī)交互界面。目錄TOC\o"1-5"\h\z一、系統(tǒng)方案11、電機(jī)的論證與選擇12、單片機(jī)的論證與選擇13、電機(jī)驅(qū)動電路的論證與選擇1二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算22.1保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法2選取合適的材料搭建支架2選取適宜的硬件提高精準(zhǔn)度21、小型直流電機(jī)電路32、顯示模塊的電路33、電機(jī)驅(qū)動電路3三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)31、系統(tǒng)流程圖32、程序設(shè)計(jì)(見附錄)3四、測試方案及結(jié)果31、測試儀器32、測試結(jié)果33、測試分析5五、結(jié)論與心得5六、參考文獻(xiàn)5附錄1:源程序6風(fēng)力擺控制系統(tǒng)（B題）【本科組】一、系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由控制處理模塊、角度，加速度檢測模塊、驅(qū)動模塊、電源模塊、顯示組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。1、電機(jī)的論證與選擇方案一：采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)具有動態(tài)響應(yīng)快、易于起停，易于正反轉(zhuǎn)及變速的優(yōu)點(diǎn)。但缺點(diǎn)是它以步進(jìn)式跟進(jìn)，角度小于一個(gè)步距角時(shí)是系統(tǒng)響應(yīng)盲區(qū)，而且經(jīng)過測試步進(jìn)電機(jī)在控制旋轉(zhuǎn)臂時(shí)，抖動性大并且容易出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，所以不適合風(fēng)力擺的控制。方案二：采用小型軸流風(fēng)機(jī)。扭矩大，體積小，驅(qū)動電路簡單，穩(wěn)定強(qiáng)，負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。綜合比較以上兩種電機(jī)，結(jié)合設(shè)計(jì)所需平穩(wěn)的控制擺桿處于豎直狀態(tài)，故選擇小型軸流風(fēng)機(jī)。2、單片機(jī)的論證與選擇方案一：采用AT89C52單片機(jī)。AT89C52單片機(jī)是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。方案二：采用IAP15F2K61S2單片機(jī)。IAP系列單片機(jī)具有低功耗、高速度、超強(qiáng)抗十?dāng)_等優(yōu)點(diǎn)。方案三：采用STC89C52RC單片機(jī)本身帶有有8路十位AD轉(zhuǎn)換和2路PWM,而且處理速度比一般單片機(jī)要快，精度高。綜合比較以上三種單片機(jī)。為了更方便、高精度、高速度地控制系統(tǒng)，完成題目要求，故選擇IAP15F2K61S2單片機(jī)為主控芯片。3、電機(jī)驅(qū)動電路的論證與選擇方案一：使用L298N芯片。L298N是一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片，最高工作電壓可達(dá)46V，峰值電流可達(dá)3A,持續(xù)工作電流為2A?？梢酝ㄟ^I/O口提供信號方便地控制直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，但是容易發(fā)燙。方案二：使用BTS7960芯片。BTS7960芯片是集成的大電流半橋驅(qū)動，其內(nèi)部包含一片NMOS、一片PMOS和一片半橋門集驅(qū)動。其輸入信號為標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平，直接與單片機(jī)相連就可以，降低系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素，而且可以用PWM調(diào)速。綜合比較以上兩種驅(qū)動芯片，由丁電路要求精度高、穩(wěn)定性好，能滿足速度變換要求，故選擇L298N芯片為驅(qū)動芯片。二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法經(jīng)分析計(jì)算，本設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性主要有2個(gè)方面。與外圍硬件設(shè)備穩(wěn)定性有關(guān)，包括支架的穩(wěn)定性、檢測及控制模塊安裝的穩(wěn)定性?？刂品€(wěn)定性，包括電機(jī)的轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性，單片機(jī)輸出電平的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)從以下方面減小損耗以提高效率：選取合適的材料搭建支架采用合適大小的木棍作為支架的材料，不僅更容易加工，還具有相當(dāng)一定程度的穩(wěn)定性。然后傳感與控制模塊用膠槍打膠凝住，不僅穩(wěn)固，還不易損壞器件，便丁器件的回收利用。選取適宜的硬件提高精準(zhǔn)度為讓控制更穩(wěn)定，選用了IAP15F2K61S2單片機(jī)作為主控芯片，MPU6050作為角度與加速度傳感模塊。使系統(tǒng)更具穩(wěn)定性。2.2各有關(guān)雖的計(jì)算單擺的周期對丁本系統(tǒng)具有重要作用，公式為T=2兀寸l/g);而需要控制電機(jī)的輸出功率來控制所需力的大小，公式為P=1.732XUXIXcoS),即有用功功率；在提供紙板上需用激光筆畫出制定長度的線段，所以就要利用單擺的長及高度計(jì)算所畫的線段長，公式為D=(Lcos0+h)tan0。三、電路與程序設(shè)計(jì)1、小型直流電機(jī)電路圖1小型直流機(jī)電路圖2、顯示模塊的電路由于1602采用并口傳輸，速度比12864申口快。數(shù)碼管就不說了，沒有驅(qū)動要加CD4511等外加電路。1602內(nèi)部集成有顯示芯片，可以識別英文字母、阿拉伯?dāng)?shù)字，所以我們選用1602液晶顯示屏作為顯示模塊。圖2顯示模塊電路圖3、電機(jī)驅(qū)動電路圖3電機(jī)驅(qū)動電路圖三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、系統(tǒng)流程圖圖4系統(tǒng)程序流程圖2、程序設(shè)計(jì)（見附錄）四、測試方案及結(jié)果1、測試儀器秒表、自制風(fēng)力擺、量角器、長直尺、小型風(fēng)扇、帶方向角度的硬紙板。2、測試結(jié)果驅(qū)動風(fēng)力擺工作，使激光筆穩(wěn)定地在地面畫出一條長度不短于50cm的直線段,來回五次，記錄其由靜止至開始自由擺時(shí)間及最大偏差距離。測試結(jié)果如表1所示。

表1風(fēng)力擺畫長于50cm直線測試時(shí)間(s)誤差1誤差2誤差3誤差4誤差5第一次測試4.22.01.61.41.61.5第二次測試4.01.81.51.82.01.7第三次測試4.32.02.22.11.92.2設(shè)置風(fēng)力擺畫線長度，驅(qū)動風(fēng)力擺工作，記錄其由靜止至穩(wěn)定擺動的時(shí)間及在畫不同長度直線時(shí)的最大偏差距離。測試結(jié)果如表2所示表2風(fēng)力擺畫不同長度直線測試時(shí)間(s)誤差1誤差2誤差3誤差4誤差5畫30cm直線2.21.61.51.11.8畫40cm直線2.32.12.01.81.9畫50cm直線1.41.61.41.81.3畫60cm直線2.32.11.91.71.9表2風(fēng)力擺畫不同長度直線測試設(shè)置風(fēng)力擺畫線長度，驅(qū)動風(fēng)力擺工作，記錄其由靜止至穩(wěn)定擺動的時(shí)間及在畫不同角度直線時(shí)的最大偏差。測試結(jié)果如表3所示。表3風(fēng)力擺畫不同角度直線誤差類型時(shí)間(s)誤差1誤差2誤差3誤差4畫0o或1800直線角度(0)5364偏離(cm)1.81.51.82.0畫450或2250直線角度(0)2453偏離(cm)1.41.61.41.8畫900或2700直線角度(0)4657偏離(cm)2.21.61.61.4畫1350或3150直線角度(0)1524偏離(cm)2.11.91.41.6畫1800或3600直線角度(0)2324偏離(cm)1.71.91.81.5將風(fēng)力擺拉起一定角度放開，驅(qū)動風(fēng)力擺工作，測試風(fēng)力擺制動達(dá)靜止?fàn)顟B(tài)所用時(shí)間。測試結(jié)果如表4所示：表4風(fēng)力擺回復(fù)靜止測試時(shí)間1時(shí)間2時(shí)間3時(shí)間4時(shí)間5拉起300拉起350拉起400拉起450以風(fēng)力擺靜止時(shí)激光筆的光點(diǎn)為圓心，設(shè)置風(fēng)力擺畫圓半徑，驅(qū)動風(fēng)力擺用激光筆在地面畫圓，記錄其畫三次圓所用時(shí)間以及最大偏差距離，重復(fù)測試三次。改變圓半徑再次測試，重復(fù)以上操作四次。測試結(jié)果如表5所示：表5風(fēng)力擺畫圓測試半徑15cm半徑20cm半徑25cm半徑30cm半徑35cm第一次時(shí)間(s)偏差距離(cm)2.02.21.62.01.8第二次時(shí)間(s)偏差距離(cm)1.51.82.01.71.5第三次時(shí)間(s)偏差距離(cm)1.91.41.71.91.8⑥在⑤的基礎(chǔ)上，使用一臺60W臺扇在距離風(fēng)力擺1m距離處向其吹5s后靜止,記錄風(fēng)力擺恢復(fù)畫圓狀態(tài)時(shí)間及偏差測試結(jié)果如表6所示。表6抗干擾測試半徑15cm半徑20cm半徑25cm半徑30cm半徑35cm第一次恢復(fù)時(shí)間(s)偏差距離(cm)2.01.61.41.41.7第二次恢復(fù)時(shí)間(s)偏差距離(cm)2.01.62.01.81.8第三次恢復(fù)時(shí)間(s)偏差距離(cm)1.81.61.41.82.03、測試分析系統(tǒng)總體上達(dá)到較好的性能。風(fēng)力擺能夠?qū)崿F(xiàn)功能，且運(yùn)行的時(shí)間誤差在允許范圍內(nèi)。風(fēng)力擺運(yùn)行性能較好，制作成本低，性價(jià)比較高。倒立擺控制的誤差主要來源丁小型軸流風(fēng)機(jī)、傳感器和風(fēng)力擺機(jī)械結(jié)構(gòu)。在運(yùn)動中摩擦力不均勻。因此，采用具有更好啟動、制動和調(diào)速特性直流電機(jī)、精度更高的傳感器改進(jìn)硬件結(jié)構(gòu)，以消除控制誤差,使控制精度更高。五、結(jié)論與心得在此次比賽中我們感覺最難做的就是角度控制這方面，在這次風(fēng)力擺系統(tǒng)中，我們采用了四個(gè)軸流風(fēng)機(jī)控制風(fēng)力擺。在控制過程中只要有一個(gè)電機(jī)速度過快或者過慢就會影響這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動，所以對這次程序設(shè)計(jì)及其調(diào)節(jié)帶來很大的難度。為了更好的控制,我們利用了陀螺儀，根據(jù)加速度變化來調(diào)節(jié)每個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而解決了這一難題。六、參考文獻(xiàn)?譚浩強(qiáng).C語言程序設(shè)計(jì)[M].北京：活華大學(xué)出版社,2012姚金生鄭小利等編著元器件電子工業(yè)出版社，2004年10月第1版[M][3]張德江.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).北京.機(jī)械工業(yè)出版社附錄1:源程序#include"lcd1602.h#include<intrins.h>/***********************************************函數(shù)名稱：Delay_us功能：STC1T單片機(jī)1us延時(shí)程序入口參數(shù)：us:延時(shí)的微秒數(shù)返回值：無備注：內(nèi)部時(shí)鐘11.0592MHz**/************************************************/voidDelay_us(unsignedintus){while(us--){_nop_();}}/**************************************函數(shù)名：LCD1602_WriteCMD*函數(shù)功能：向lcd1602寫指令*入口參數(shù)：cmd:指令*返回：無*備注：無*************************************voidLCD1602_WriteCMD(unsignedcharcmd)(EN=0;RS=0;RW=0;Delay_us(10);EN=1;Delay_us(10);DataPort=cmd;Delay_us(10);EN=0;}/***********************************************函數(shù)名稱：LCD1602_WriteDAT功能：向lcd1602寫數(shù)據(jù)入口參數(shù)：dat:數(shù)據(jù)返回值：無備注：無************************************************/voidLCD1602_WriteDAT(unsignedchardat)(EN=0;RS=1;RW=0;Delay_us(10);EN=1;Delay_us(10);DataPort=dat;Delay_us(10);EN=0;}/***********************************************函數(shù)名稱：LCD1602_CheckBusy功能：檢測lcd1602忙信號入口參數(shù)：無返回值：無備注：無*