大學(xué)生電子設(shè)計競賽論文-風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、2015 年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽論文B 題：風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的設(shè)計2015年 8 月 15 日摘要該系統(tǒng)以高速單片機(jī)STC89C52R為控制核心,主要由物理框架、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)四大部分組成。主控系統(tǒng)以高速單片機(jī)STC11F52X助核心，實現(xiàn)對執(zhí)行系統(tǒng)對直流電機(jī)的控制，從而實現(xiàn)基于自 由擺的擺動控制系統(tǒng)。此方案可行性高，且精確度較高 。關(guān)鍵詞： 單片機(jī)( STC11F52X)E ，直流電機(jī)，風(fēng)力擺擺動控制目錄1、系統(tǒng)方案論證與選擇 11.1 控制系統(tǒng)的論證與選擇 11.2 供電系統(tǒng)的論證與選擇 21.3 風(fēng)力擺角度調(diào)整系統(tǒng)的論證與選擇 22、系統(tǒng)理論分析與計算 32.1 建模與

2、控制方法 32.1.1 基本部分的第一項控制方法 32.1.2 基本部分的第二項控制方法 33 、硬件電路設(shè)計與分析 33.1 系統(tǒng)電路總體框圖 33.2 主要模塊電路的設(shè)計 43.2.1 繼電器模塊電路 43.2.2 單片機(jī)模塊電路 44、測試方案與測試結(jié)果 54.1 測試儀器 54.2 測試方案以及結(jié)果 4.2.1 測試基本部分（ 1）4.2.2 測試基本部分（ 2）.5、總結(jié)5.1硬件小結(jié)5.2軟件小結(jié)5.3 心得體會附錄1電路原理圖和PCB版圖附錄2主要元器件清單55.5 14 14 15 15 16 18風(fēng)力擺控制系統(tǒng)（B題）【本科組】1系統(tǒng)方案論證與選擇本任務(wù)要求設(shè)計制作一個基于風(fēng)

3、力擺測控系統(tǒng)，控制驅(qū)動各風(fēng)機(jī)使風(fēng)力擺按照一定規(guī)律運(yùn)動，激光筆在地面上畫出要求的軌跡。據(jù)題目要求分析，我們得到基本思路，如圖1. i所示：供電系統(tǒng)圖1. i系統(tǒng)總體方案i.i控制系統(tǒng)的論證與選擇方案1：用繼電器來產(chǎn)生直流機(jī)的控制信號。它是利用電磁效應(yīng)實現(xiàn)電路開、關(guān)控制作用的原件，廣泛應(yīng)用在電子設(shè)備、儀器儀表及自動化設(shè)備中。在各種自動設(shè)備中，都要求用 一個低電壓電路提控制一個高電壓的電器電路。這樣不僅可以為電子線路和電器電路提供良 好的電隔離，還可以保護(hù)電子電路和人員安全。使得利用單片機(jī)來編程控制繼電器來產(chǎn)生一個頻率開關(guān),使風(fēng)力擺在固定的高度受到定時直流風(fēng)機(jī)的作用，加大風(fēng)力擺在這個高度的受力 作用

4、使得風(fēng)力擺穩(wěn)定的擺動，使激光筆能畫出符合題目要求的直線要找到風(fēng)力擺的固定高度 用單片機(jī)使用延時程序是比較容易的。所以采用這個方案。ii方案 2：用模擬電路來產(chǎn)生直流電機(jī)的控制信號 。利用 PWM 脈沖對直流風(fēng)機(jī)受到穩(wěn)定 的電壓驅(qū)動，在直線上受到穩(wěn)定的力，能在一條直線上運(yùn)動，但需要 MOS 管驅(qū)動，必須對 MOS 管的型號、精度有更高的要求，用單片機(jī)編程有一定的難度同時 在電路上有更高的要求。綜上所述兩個方案，本控制系統(tǒng)選方案 1。1.2 供電系統(tǒng)的論證與選擇方案1用變壓器對家用電壓220V進(jìn)行降壓。這個要修改電路圖，需打板，需要檢測， 在一定程度上花費(fèi)的時間更多。在選擇使用變壓器的時候，有型號

5、要求，在電路輸出后的電 壓一定為12V，而且電壓要穩(wěn)定不變。這個對于手動電路圖有一定的要求，比較嚴(yán)格。方案2:直接用電腦電源給整個系統(tǒng)供電。 電腦電源能夠產(chǎn)生更穩(wěn)定的12V電源，能夠 穩(wěn)定的給直流風(fēng)機(jī)供電，使直流風(fēng)機(jī)能穩(wěn)定擺動，激光筆能夠畫出題目要求的直線。不用花 費(fèi)太多時間去修改。容易達(dá)到我們需要的直流風(fēng)機(jī)擺動的效果。綜上所述兩個方案，本控制系統(tǒng)選方案 2。1.3 風(fēng)力擺角度調(diào)整系統(tǒng)的論證與選擇根據(jù)題目要求 ,要用直流分機(jī)來控制控制風(fēng)力擺的的平衡。直流風(fēng)機(jī)我們可以選用大、中、小 的風(fēng)扇。下面是對三種型號的直流風(fēng)機(jī)的風(fēng)扇分析和比較。方案 1:采用大型直流風(fēng)機(jī)作為系統(tǒng)的主要動力機(jī)構(gòu)。大型直流風(fēng)機(jī)

6、是日常生活中比較常用的電機(jī)類型，故直流電機(jī)可以采用由小功率三極管8050和8550組成的簡單H型PWM電路作為直流電機(jī)的驅(qū)動。雖然和脈寬調(diào)制芯片TL494、光隔離芯片TLP521等構(gòu)成的電路也能完成單片機(jī)對直流電機(jī)的控制。但是本次設(shè)計中用到電機(jī)調(diào)節(jié)平板的平衡，要求很高的 精度，大型電機(jī)較難實現(xiàn)。因此不選擇此方案。方案 2:采用小型直流風(fēng)機(jī)作為系統(tǒng)的主要動力機(jī)構(gòu)。小型的直流風(fēng)機(jī)太小，四臺一起會導(dǎo)致風(fēng)力擺的重量很重，而用小型的直流風(fēng)機(jī)帶動不了那么重的風(fēng)力擺，風(fēng)力擺擺動不起 來。對硬件的鏈接有了更高的要求，機(jī)械器材很難達(dá)到這么高的精度，不利于我們的控制。方案 3:采用中型直流風(fēng)機(jī)作為系統(tǒng)的主要動力機(jī)

7、構(gòu)。中型直流風(fēng)機(jī)在各個方面的計算與配合都要好，使得風(fēng)力擺的穩(wěn)定性會比大、小型號的更強(qiáng)，方便攜帶。在于硬件連接上更 方便我們操作。綜上所述三個方案，本控制系統(tǒng)選方案 32理論分析與計算2.1建模與控制方法2.1.1基本部分第一項的控制方法直流風(fēng)機(jī)受與單片機(jī)的串口通信，通過單片機(jī)STC89C51X進(jìn)行編程，利用程序來驅(qū)動直流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與循環(huán)，在程序中利用軟計時方法，測得單擺的擺動周期，多次測量求平均 值，再依據(jù)獲得的平均時間，在單片機(jī)程序中計算脈沖數(shù)及脈沖頻率，輸出相應(yīng)控制信號給 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，用繼電器來形成一個頻率開關(guān)，使得直流風(fēng)機(jī)受到相同頻率的驅(qū)動，使得 風(fēng)力擺能更穩(wěn)定的擺動。從而達(dá)到控制要

8、求，2.1.2基本部分第二項的控制方法由于風(fēng)力擺的擺動會導(dǎo)致風(fēng)力擺的轉(zhuǎn)動，這樣就便于控制圓，使得周期的畫圓，達(dá)到題 目要求。3、硬件電路設(shè)計與分析3. 1系統(tǒng)電路總體框圖綜合以上各模塊電路方案比較與選擇，系統(tǒng)的最終的總方案如圖3.1所示總體方案的描述：本系統(tǒng)可通過鍵盤輸入來選擇工作模式和設(shè)定擺桿的起始位置，單片機(jī)根 據(jù)輸入的工作模式和設(shè)定的具體轉(zhuǎn)角，通過繼電器來控制給直流風(fēng)機(jī)發(fā)送相應(yīng)的頻率，從而 達(dá)到對直流分機(jī)的驅(qū)動，使風(fēng)力擺穩(wěn)定擺動，最終實現(xiàn)對風(fēng)力擺的控制。3.2主要模塊電路的設(shè)計321繼電器模塊電路?UP FU6電磁繼電器是一種用電磁鐵控制的電路開關(guān)，其構(gòu)造和工作原理如圖 所示。由電磁鐵、

9、弱電電源和電鍵組成控制電路。由電動機(jī)、強(qiáng)電電源 和電磁繼電器的觸點部分組成工作電路。 閉合控制電路電鍵，電磁鐵線 圈中有控制電流通過時，電磁鐵就吸引銜鐵，使工作電路觸點 閉合，電 動機(jī)啟動。斷開控制電路的電鍵，電磁鐵失去磁性，彈簧把銜鐵拉起，在觸點處切斷工作電路，電動機(jī)停止工作。利用電磁繼電器可以用低電壓、弱電流的信號電路來控制高電壓、強(qiáng)電流的工作電路。3.2.2單片機(jī)模塊電路pin?W7 rcmIIfl-?J.DVCC?L1PO.OU ?UMlPOiPl.4POJpnP04pmPOipijH4TKTAALEPK卩3如SPENPITP3JT)PLfiPUPl fr：W)P14P3伽KJXTAL

10、：K2XT.U1KIGKDw-oF1C 1 pTi導(dǎo)戸；亠 二：亠17 M -：述ALE29 EFPl 7I- F1F：f F25芒K4：+ F2i:j p:fT21 P2i:；r :n t；1 * =iSR104、測試方案與測試結(jié)果4.1測試儀器（1）秒表（2）量角器（3）自制方向角度圖紙4.2測試方案以及結(jié)果4.2.1測試基本要求（1）驅(qū)動風(fēng)力擺工作，使激光筆穩(wěn)定的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間和最大偏差距離。測試結(jié)果如表1所示表1風(fēng)力擺畫長于50cm直線測試時間（S）誤差1誤差2誤差3誤差4誤差5第一次測試第二次測試第三次測試4.2.2測

11、試基本要求（2）設(shè)置風(fēng)力擺畫線長度，驅(qū)動風(fēng)力擺工作，記錄其由靜止至開始自由擺時間和畫不同長度 直線時的最大偏差距離。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間（s）誤差1誤差2r誤差3誤差4誤差5畫30cm直線畫40cm直線畫50cm直線畫60cm直線4.2.3測試基本要求（3）設(shè)置風(fēng)力擺自由擺時角度，驅(qū)動風(fēng)力擺工作，記錄其由靜止至開始自由擺時間和在畫不 同角度直線時的最大偏差距離。測試結(jié)果如表 3所示。表3風(fēng)力擺畫不同角度直線測試4.2.4測試基本要求（4）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)到靜止?fàn)顟B(tài)所用時間 測試結(jié)果如表4所示。表4風(fēng)力擺恢復(fù)靜止測試時間

12、（1）時間（2）時間（3）時間（4）時間（5）拉起30拉起35拉起40拉起45425測試發(fā)揮部分（1）風(fēng)力擺靜止時激光筆的光點為圓心，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間和最大偏差距離，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)果表 5所示。426測試發(fā)揮部分（2）在4.25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)時間。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30cm半徑35cm時間（1）偏差距離（1）恢復(fù)時間（1）時間（2）偏差距離（2）恢復(fù)時間（2）時間（3）偏差距離（3）恢復(fù)時間（3）5、總結(jié)結(jié)論應(yīng)以測試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析為依據(jù)，簡潔地指出以下內(nèi)容： 實驗得到的結(jié)果所揭示原理及其普遍性； 研究中有無發(fā)現(xiàn)例外或難以解釋或解決的問題； 本論文理論上和實用上的意義和價值； 進(jìn)一步研究本課題的建議。以上內(nèi)容不一定面面俱到，但要有感而發(fā)。6、參考文獻(xiàn)1 童詩白，華程英模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版） M.北京：高等教育出版社,2009.2 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）M.北京：高等教育出版社,2009.3 黃智偉，王彥，陳文光等.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽訓(xùn)練教程M.北京：電子工