電子競賽論文

1、2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽風(fēng)力擺控制系統(tǒng)（B題）2015年8月15日IV摘 要 風(fēng)力擺控制系統(tǒng)是一電機驅(qū)動測控系統(tǒng)，本系統(tǒng)以STC89C52單片機為控制核心，由軸流風(fēng)機進行驅(qū)動，MPU6050三維角度傳感器進行檢測，應(yīng)用PID控制算法，軸流風(fēng)機調(diào)速使擺臂在一定角度范圍內(nèi)做自由擺及圓周運動，同時可以通過顯示模塊顯示風(fēng)力擺所處狀態(tài)的各種參數(shù)。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔分明，達到了賽題所要求的基本功能。關(guān)鍵詞：風(fēng)力擺；STC89C52；軸流風(fēng)機；PID；目 錄一、 系統(tǒng)方案論證與選擇11.系統(tǒng)方案12.方案比較與論證1(1)控制模塊的選擇與論證1(2)電機驅(qū)動模塊的論證與選擇1(3)角度檢測模塊的論證與選

2、擇1(4)顯示方案的論證與選擇2二、系統(tǒng)理論分析與計算21.機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計22.風(fēng)力擺狀態(tài)的檢測與計算23.風(fēng)力擺運動狀態(tài)的分析34. 驅(qū)動與控制算法3(1)電機驅(qū)動3(2)控制算法3三、電路及程序設(shè)計41.電路設(shè)計4(1)風(fēng)機驅(qū)動電路設(shè)計4(2)顯示模塊52.程序設(shè)計5四、測試結(jié)果與分析61.測試儀器62.測試方案與結(jié)果6(1)風(fēng)力擺做自由擺動的測試6(2)風(fēng)力擺做幅度可控擺動的測試7(3)靜止?fàn)顟B(tài)恢復(fù)測試73.測試結(jié)果分析7五、總結(jié)7參考文獻9附錄A 主要元器件清單10附錄B 電路原理圖11附錄C 源程序12一、 系統(tǒng)方案論證與選擇1.系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由單片機控制模塊、電機驅(qū)動模塊、角度

3、檢測模塊、電源模塊組成，鍵盤模塊，顯示模塊組成。2.方案比較與論證(1)控制模塊的選擇與論證方案一：采用MSP430單片機MSP430系列單片機采用精簡指令集結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式，以及強大的處理能力并且具有超低的功耗。在運算速度方面，能在 8MHz 晶體的驅(qū)動下，實現(xiàn) 125ns 的指令周期。但是所占的指令空間較大，資料也比較少。方案二：采用STC89C51單片機STC89C51單片機算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活 、 自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制 。由于其功耗低、體積小、技術(shù) 成熟和成本低等優(yōu)點，各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。并且由于芯片引腳少，在硬件很容易實現(xiàn)。綜合上述兩種方案，方案

4、二較為簡單，可以滿足設(shè)計要求。(2)電機驅(qū)動模塊的論證與選擇方案一：采用自搭接的H橋電路選用大功率達林頓管或場效應(yīng)管自制H橋電路，電路原理簡單，具有高效，低功率等特點，但是性能不夠穩(wěn)定，電路調(diào)試復(fù)雜方案二：采用L298N電機驅(qū)動模塊L298N是一款單片集成的高電壓、高電流、雙路全橋式電機驅(qū)動。最高工作電壓可達46v，內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制。電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極強。綜合考慮，我們選擇方案二。(3)角度檢測模塊的論證與選擇方案一：采用MPU6050芯片MPU6050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DM

5、P，可用I2C接口連接一個第三方的數(shù)字傳感器。并且容易上手。方案二：采用WDS35D芯片WDS35D傳感器其測量范圍為0360，輸出電壓范圍與輸入電壓有關(guān)，輸出精度為1mv，測量精度為0.1度，線性度好，長期穩(wěn)定行好，靈敏度高，可實現(xiàn)對角位移的精確測量。結(jié)合我們自身綜合考慮，我們選擇方案一。(4)顯示方案的論證與選擇方案一：采用LED數(shù)碼管顯示LED顯示具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、軟件容易實現(xiàn)等優(yōu)點，但是數(shù)碼管只能顯示簡單的數(shù)字，顯示信息量少，不能夠滿足此本設(shè)計的要求。方案二：采用1602字符液晶LCD液晶顯示具有功耗低、顯示內(nèi)容豐富、清晰、且顯示信息量大等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。綜合以上兩種

6、方案選擇，本設(shè)計選擇方案二。二、系統(tǒng)理論分析與計算1.機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 風(fēng)力擺支架采用木條自行搭建，整體高100cm，臂桿長50cm，擺桿采用長65cm的碳維纖管，并通過萬向節(jié)固定在臂桿上一端。擺桿下端懸掛二個直流風(fēng)機，并在其下端安裝一個向下的激光筆。碳維纖管具有強度高，質(zhì)量輕，低密度等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航模，轉(zhuǎn)軸等機械設(shè)備。符合本設(shè)計的要求。風(fēng)力擺整體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。擺桿臂桿軸流風(fēng)機圖2.1 風(fēng)力擺結(jié)構(gòu)示意圖2.風(fēng)力擺狀態(tài)的檢測與計算采用高精度的角度傳感器MPU6050不斷采集風(fēng)力擺姿態(tài)角數(shù)據(jù)。MPU6050集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速器，以及一個可擴展的數(shù)字運動處理器DMP。

7、MPU6050和所有設(shè)備寄存器之間的通信采用400KHz的I2C接口。實現(xiàn)高速通信。內(nèi)置的可編程卡爾曼濾波器，采用最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法精確測量風(fēng)力擺當(dāng)前姿態(tài)角。MPU6050對陀螺儀和加速計分別用了三個16位的ADC，將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量，通過DMP處理器讀取測量數(shù)據(jù)然后通過串口輸出。3.風(fēng)力擺運動狀態(tài)的分析風(fēng)力擺采用4個36W的直流風(fēng)機為動力驅(qū)動系統(tǒng)，角度檢測模塊采集風(fēng)力擺姿態(tài)角。然后將采集到的信息傳送到單片機，單片機處理姿態(tài)角信息調(diào)節(jié)輸出PWM的占空比，進而控制四個電機的工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)對風(fēng)力擺的控制。4. 驅(qū)動與控制算法(1)電機驅(qū)動對于普通的直流電機，其控制方法比

8、較簡單，只需給電機的兩根控制線加適當(dāng)?shù)碾妷杭纯墒闺姍C轉(zhuǎn)動起來，電壓越高則電機轉(zhuǎn)速越高。對于直流電機的速度調(diào)節(jié)，可以采用改變電壓的方法，也可采用PWM調(diào)速方法。PWM調(diào)速就是使加在直流電機兩端的電壓為方波形式，加在電機兩端的電壓就在VLoad和0V之間不停的跳變，對應(yīng)的電機電壓波形如圖 2.4.1所示：T1UoThOV圖2.2 PWM調(diào)速原理圖此時加在電機兩端的平均電壓Uo=Th/（Th+Tl）*VLoad，可以通過調(diào)整PWM的占空比來改變Th和Tl的比值。這樣就可以通過PWM調(diào)節(jié)加在電機兩端的平均電壓，從而改變電機的轉(zhuǎn)速。(2)控制算法風(fēng)力擺的運動是連續(xù)運動，擺桿的變化也是連續(xù)的漸變過程，因此

9、我們采用PID控制算法。對直流電機為執(zhí)行器件的系統(tǒng)中，基本采用增量試PID算法進行控制。數(shù)字PID控制算法是以模擬PID調(diào)節(jié)器控制為基礎(chǔ)的，由于單片機是一種采樣控制，只能根據(jù)采樣時刻的偏差計算控制量。但是如果采樣周期T取得足夠小，采樣數(shù)值計算方法逼近可相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過程與連續(xù)控制十分接近。離散化后的PID算式為：式中：K:比例系數(shù)，:偏差為零時的控制作用，：積分時間，：微分時間，T：采樣時間，以上公式稱為位置式算法。有它可推出增量式算法：式中各系數(shù)由反復(fù)實踐后確定，實驗證明，這種控制方式可以加快系統(tǒng)階躍響應(yīng)、減小超調(diào)量，并具有較高的精度。三、電路及程序設(shè)計1.電路設(shè)計整個系統(tǒng)分為系統(tǒng)模塊、編碼

10、器模塊、電機驅(qū)動模塊、電機模塊、電源模塊、鍵盤模塊、顯示模塊。各模塊的系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。角度檢測模塊鍵盤模塊風(fēng)機模塊顯示模塊電源模塊控制模塊控制模塊圖 3.1 系統(tǒng)框圖(1)風(fēng)機驅(qū)動電路設(shè)計L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓，大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片最高工作電壓課高達45V,輸出電流大，瞬間峰值電流可達到3A，持續(xù)工作電流為2A，額定功率25W。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器。其電路圖如圖3.1.1.所示。圖3.1.1. 電機驅(qū)動模塊(2)顯示模塊圖3.12 LCD液晶顯示模塊2.程序設(shè)計本系統(tǒng)的軟件部分主要有角度測量模塊、驅(qū)動PWM模塊、PID控制模塊函數(shù)組成，當(dāng)單片機上電

11、后，進入初始化界面，根據(jù)不同的按鍵，單片機進入不同的工作方式，按照不同的要求工作。角度檢測傳感器檢測風(fēng)力擺的姿態(tài)，輸出電壓信號，進而對直流風(fēng)機控制，使風(fēng)力擺做不同的擺動。流程框圖如圖3.2所示。結(jié)束開始初始化調(diào)用鍵盤程序基本要求一基本要求二基本要求三基本要求四角度檢測傳感器風(fēng)機驅(qū)動模塊圖3.2 程序框圖四、測試結(jié)果與分析1.測試儀器測試儀器包括秒表，量角器，米尺，自制方向圖紙2.測試方案與結(jié)果(1)風(fēng)力擺做自由擺動的測試從靜止開始驅(qū)動風(fēng)力擺，使其做類似自由擺運動，在15秒內(nèi)使激光筆穩(wěn)定地在自制方向圖紙上畫出一條長度不短于50cm的直線其線性度偏差不大于2.5cm，并具有較好的重復(fù)性。測試結(jié)果如

12、表1所示。表1 風(fēng)力擺畫長于50cm直線測試測試次數(shù)完成所需時間（t）偏差結(jié)果第一次測試16s3cm失敗第二次測試15s2.3cm成功第三次測試13s2cm成功(2)風(fēng)力擺做幅度可控擺動的測試從靜止開始啟動風(fēng)力擺，使其15秒內(nèi)完場幅度可控的擺動，長度偏差不大于2.5cm。測試結(jié)果如表2所示。表2 風(fēng)力擺做幅度可控的測試測試次數(shù)完成所需時間（t）偏差結(jié)果第一次測試13s2,1cm成功第二次測試15s2.3cm成功第三次測試12s2.4cm成功(3)靜止?fàn)顟B(tài)恢復(fù)測試將風(fēng)力擺拉起一定角度（3045）放開，使其5秒內(nèi)達到靜止。測試結(jié)果如表4所示。測試次數(shù)完成所需時間（t）結(jié)果第一次測試6s失敗第二次測

13、試5s成功第三次測試6s失敗3.測試結(jié)果分析測試結(jié)果分析，系統(tǒng)總體上達到較好的性能，完成了賽題要求的部分功能。但是在測試過程中，在直流風(fēng)機自身的重力及較弱風(fēng)力的影響下，對于部分基本功能沒有能夠很好的完成，直流風(fēng)機驅(qū)動設(shè)計上存在部分缺陷，驅(qū)動力不足，使風(fēng)力擺在部分基本功能上沒有很好地完成要求。如資金充足五、總結(jié)風(fēng)力擺是一種復(fù)雜、時變、非線性、自然不穩(wěn)定的高階系統(tǒng)，許多抽象的控制理念概論都可以通過風(fēng)力擺直觀的直觀的表現(xiàn)出來。本設(shè)計通過分析控制器的基本原理，結(jié)合風(fēng)力擺系統(tǒng)實際參數(shù)，然后通過控制理論設(shè)計控制器。采用PID控制算法對直流風(fēng)機調(diào)速，進而控制風(fēng)力擺的運動姿態(tài)，使其達到所需要的要求。在本設(shè)計中

14、遇到的最大問題就是驅(qū)動不足，之前考慮過多種方案，但由于時間緊，任務(wù)重，系統(tǒng)還有一些功能未能實現(xiàn)，比如擺桿做類似圓周運動。若經(jīng)改進，相信性能還會有進一步的提升。本次四天三夜的競賽極大的鍛煉了我們各方面的能力，雖然在結(jié)果上沒能達到預(yù)想中的程度，但總體上成功與挫折交替，困難與希望并存。我們會繼續(xù)努力爭取更大的進去，在此路上走的更遠。參考文獻1 譚浩強.C語言程序設(shè)計M.北京:清華大學(xué)出版社.20122 康華光主編. 電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 華中理工大學(xué)電子學(xué)教研室.20103 康華光、陳大欽主編. 電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部份M.高等教育出版社.20104 郭天祥主編. 51單片機C語言教程M. 電子工業(yè)出版社.

15、20085 王宜懷、吳瑾、蔣銀珍編著.單片機原理與應(yīng)用M. 電子工業(yè)出版社.20056蔣煥文，孫續(xù).電子測量M.3版.北京：中國計量出版社，20087蔡惟錚.集成電子技術(shù).北京：高等教育出版社，20048李立功，等.現(xiàn)代電子測量計數(shù)M.2版.北京：國防工業(yè)出版社，20089 辛?xí)詫幫鯐孕? PWM調(diào)制的設(shè)計與實現(xiàn) J. 電子設(shè)計工程2013，2（4）:12212410高吉祥,唐朝京.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽培訓(xùn)系列教程（電子儀器儀表設(shè)計）M.北京:電子工業(yè)出版社,200722附錄A 主要元器件清單序號元器件名稱型號規(guī)格數(shù)量1電阻50個102電阻100個103電阻100K個104電阻200K個10

16、5軸流風(fēng)機個46角度傳感器MPU6050片17碳維纖管65cm根18萬向節(jié)連接桿直徑=10mm個19激光筆個110單片機芯片STC89C52片111液晶顯示屏1602個112電機驅(qū)動模塊L298N個113單片機最小系統(tǒng)51系列個1附錄B 電路原理圖附錄C 源程序#include #include /Keil library #include /Keil library#include typedef unsigned char uchar;typedef unsigned short ushort;typedef unsigned int uint;/ 定義51單片機端口#define Dat

17、aPort P0 /LCD1602數(shù)據(jù)端口sbit SCL=P10;/IIC時鐘引腳定義sbit SDA=P11;/IIC數(shù)據(jù)引腳定義sbit LCM_RS=P33;/LCD1602命令端口sbit LCM_RW=P34;/LCD1602命令端口sbit LCM_EN=P35;/LCD1602命令端口 sbit PWM1=P20;/1號電機sbitPWM2=P21;/2號電機/ 定義MPU6050內(nèi)部地址#defineSMPLRT_DIV0x19/陀螺儀采樣率，典型值：0x07(125Hz)#defineCONFIG 0x1A/低通濾波頻率，典型值：0x06(5Hz)#defineGYRO_C

18、ONFIG0x1B/陀螺儀自檢及測量范圍，典型值：0x18(不自檢，2000deg/s)#defineACCEL_CONFIG0x1C/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)#defineACCEL_XOUT_H0x3B#defineACCEL_XOUT_L0x3C#defineACCEL_YOUT_H0x3D#defineACCEL_YOUT_L0x3E#defineACCEL_ZOUT_H0x3F#defineACCEL_ZOUT_L0x40#defineTEMP_OUT_H0x41#defineTEMP_OUT_L0x42#defineGYRO_XO

19、UT_H0x43#defineGYRO_XOUT_L0x44#defineGYRO_YOUT_H0x45#defineGYRO_YOUT_L0x46#defineGYRO_ZOUT_H0x47#defineGYRO_ZOUT_L0x48#definePWR_MGMT_10x6B/電源管理，典型值：0x00(正常啟用)#defineWHO_AM_I0x75/IIC地址寄存器(默認數(shù)值0x68，只讀)#defineSlaveAddress0xD0/IIC寫入時的地址字節(jié)數(shù)據(jù)，+1為讀取/定義類型及變量uchar dis4;/顯示數(shù)字(-511至512)的字符數(shù)組intdis_data;/變量uns

20、igned char count;/intTemperature,Temp_h,Temp_l;/溫度及高低位數(shù)據(jù)/函數(shù)聲明void delay(unsigned int k);/延時/LCD相關(guān)函數(shù)void InitLcd();/初始化lcd1602void lcd_printf(uchar *s,int temp_data);void WriteDataLCM(uchar dataW);/LCD數(shù)據(jù)void WriteCommandLCM(uchar CMD,uchar Attribc);/LCD指令void DisplayOneChar(uchar X,uchar Y,uchar DDat

21、a);/顯示一個字符void DisplayListChar(uchar X,uchar Y,uchar *DData,L);/顯示字符串/MPU6050操作函數(shù)void InitMPU6050();/初始化MPU6050void Delay5us();void I2C_Start();void I2C_Stop();void I2C_SendACK(bit ack);bit I2C_RecvACK();void I2C_SendByte(uchar dat);uchar I2C_RecvByte();void I2C_ReadPage();void I2C_WritePage();void

22、display_ACCEL_x();void display_ACCEL_y();void display_ACCEL_z();uchar Single_ReadI2C(uchar REG_Address);/讀取I2C數(shù)據(jù)void Single_WriteI2C(uchar REG_Address,uchar REG_data);/向I2C寫入數(shù)據(jù)/整數(shù)轉(zhuǎn)字符串void lcd_printf(uchar *s,int temp_data)if(temp_data0)temp_data=-temp_data;*s=-;else *s= ;*+s =temp_data/100+0x30;temp

23、_data=temp_data%100; /取余運算*+s =temp_data/10+0x30;temp_data=temp_data%10; /取余運算*+s =temp_data+0x30; /延時void delay(unsigned int k)unsigned int i,j;for(i=0;ik;i+)for(j=0;j121;j+);/LCD1602初始化void InitLcd()WriteCommandLCM(0x38,1);WriteCommandLCM(0x08,1);WriteCommandLCM(0x01,1);WriteCommandLCM(0x06,1);Wri

24、teCommandLCM(0x0c,1);DisplayOneChar(0,0,A);DisplayOneChar(0,1,G); /LCD1602寫允許void WaitForEnable(void)DataPort=0xff;LCM_RS=0;LCM_RW=1;_nop_();LCM_EN=1;_nop_();_nop_();while(DataPort&0x80);LCM_EN=0;/LCD1602寫入命令void WriteCommandLCM(uchar CMD,uchar Attribc)if(Attribc)WaitForEnable();LCM_RS=0;LCM_RW=0;_n

25、op_();DataPort=CMD;_nop_();LCM_EN=1;_nop_();_nop_();LCM_EN=0;/*/LCD1602寫入數(shù)據(jù)/*void WriteDataLCM(uchar dataW)WaitForEnable();LCM_RS=1;LCM_RW=0;_nop_();DataPort=dataW;_nop_();LCM_EN=1;_nop_();_nop_();LCM_EN=0;/*/LCD1602寫入一個字符/*void DisplayOneChar(uchar X,uchar Y,uchar DData)Y&=1;X&=15;if(Y)X|=0x40;X|=0

26、x80;WriteCommandLCM(X,0);WriteDataLCM(DData);/*/LCD1602顯示字符串/*void DisplayListChar(uchar X,uchar Y,uchar *DData,L)uchar ListLength=0; Y&=0x1; X&=0xF; while(L-) DisplayOneChar(X,Y,DDataListLength);ListLength+; X+; /*/延時5微秒(STC90C52RC12M)/不同的工作環(huán)境,需要調(diào)整此函數(shù)/當(dāng)改用1T的MCU時,請調(diào)整此延時函數(shù)/*void Delay5us()_nop_();_no

27、p_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/*/I2C起始信號/*void I2C_Start() SDA = 1; /拉高數(shù)據(jù)線 SCL = 1; /拉高時鐘線 Delay5us(); /延時 SDA = 0; /產(chǎn)生下降沿 Delay5us(); /延時 SCL = 0; /

28、拉低時鐘線/*/I2C停止信號/*void I2C_Stop() SDA = 0; /拉低數(shù)據(jù)線 SCL = 1; /拉高時鐘線 Delay5us(); /延時 SDA = 1; /產(chǎn)生上升沿 Delay5us(); /延時/*/I2C發(fā)送應(yīng)答信號/入口參數(shù):ack (0:ACK 1:NAK)/*void I2C_SendACK(bit ack) SDA = ack; /寫應(yīng)答信號 SCL = 1; /拉高時鐘線 Delay5us(); /延時 SCL = 0; /拉低時鐘線 Delay5us(); /延時/*/I2C接收應(yīng)答信號/*bit I2C_RecvACK() SCL = 1; /拉高

29、時鐘線 Delay5us(); /延時 CY = SDA; /讀應(yīng)答信號 SCL = 0; /拉低時鐘線 Delay5us(); /延時 return CY;/*/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; i8; i+) /8位計數(shù)器 dat = 1; /移出數(shù)據(jù)的最高位 SDA = CY; /送數(shù)據(jù)口 SCL = 1; /拉高時鐘線 Delay5us(); /延時 SCL = 0; /拉低時鐘線 Delay5us(); /延時 I2C_RecvACK();/*/從I2C總線接收一個字節(jié)數(shù)據(jù)/*uchar I

30、2C_RecvByte() uchar i; uchar dat = 0; SDA = 1; /使能內(nèi)部上拉,準(zhǔn)備讀取數(shù)據(jù), for (i=0; i8; i+) /8位計數(shù)器 dat = 1; SCL = 1; /拉高時鐘線 Delay5us(); /延時 dat |= SDA; /讀數(shù)據(jù) SCL = 0; /拉低時鐘線 Delay5us(); /延時 return dat;/*/向I2C設(shè)備寫入一個字節(jié)數(shù)據(jù)/*void Single_WriteI2C(uchar REG_Address,uchar REG_data) I2C_Start(); /起始信號 I2C_SendByte(SlaveAddress); /發(fā)送設(shè)備地址+寫信號 I2C_SendByte(REG_Address); /內(nèi)部寄存器地址， I2C_SendByte(REG_data); /內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)， I2C_Stop(); /發(fā)送停止信號/*/從I2C設(shè)備讀取一個字節(jié)數(shù)據(jù)/*uchar Single_ReadI2C(uchar REG_Address)uchar REG_data;I2C_Start(); /起始信號I2C_SendBy