風(fēng)力擺最終版

1、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 風(fēng)力擺控制系統(tǒng)摘要 stc89c52是單片機(jī)里應(yīng)用比較廣泛的一款，在自動控制領(lǐng)域里享有很高的價值。本設(shè)計(jì)采用stc89c52單片機(jī)作為主控制芯片，設(shè)計(jì)并制作一套風(fēng)力擺控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要是以單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、12864液晶顯示模塊組成的。利用三軸加速度陀螺儀mpu-6050對軸流風(fēng)機(jī)姿態(tài)的采集反饋給stc89c52，通過pid控制算法提高動態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)類似自由擺運(yùn)動、幅度可控的擺動，以及按照設(shè)置的方向（角度）擺動等功能。 關(guān)鍵詞：stc89c52，三軸加速度陀螺儀、l298n驅(qū)動、軸流風(fēng)扇、1

2、2864液晶顯示。abstract stc89c52 is a wide range of applications in the micro controller, in the field of automatic control to enjoy a high value. this design uses stc89c52 micro controller as the main control chip, design and manufacture a set of wind pendulum control system. the system is mainly based o

3、n single-chip micro- computer system module, power supply module, motor driver module, 12864 lcd module. using the three axis acceleration gyroscope mpu-6050 to collect feedback to the stc89c52, the pid control algorithm is used to improve the dynamic performance, and to achieve a similar free swing

4、 motion, the am- plitude controllable swing, and in accordance with the direction of setting (angle) swing and other functions.keywords: stc89c52, three axis acceleration gyroscope, l298n drive, axial flow fan, 12864 lcd目錄一方案論證 . 1 1. 系統(tǒng)方案的總體程序框圖 . 1 1.1微控制器的論證與選擇. 1 1.2風(fēng)扇控制方案選擇. 1 1.3電機(jī)驅(qū)動的論證與選擇. 2

5、1.4速度控制的論證與選擇. 2 1.5 角度測量方案選擇. 2 1.6 顯示方案選擇. 3二系統(tǒng)理論分析與計(jì)算. 3 2.1風(fēng)扇調(diào)試原理. 3 2.2風(fēng)力擺狀態(tài)測量與計(jì)算. 4 2.3控制算法分析. 4三系統(tǒng)結(jié)構(gòu). 5 3.1機(jī)械結(jié)構(gòu). 5 3.2測控電路結(jié)構(gòu). 5四系統(tǒng)軟件.6 4.1主程序流程框圖. 6五.測試方案及結(jié)果. 6六結(jié)束語. 7七參考文獻(xiàn).8附錄一.系統(tǒng)方案：1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如下圖所示 顯示模塊 stc89c52rc 蜂鳴器 電源三軸加速度陀螺儀mpu6050 l298n 風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)1.1微控制器的方案選擇與論證方案一：采用fpga（現(xiàn)場可編程門陣列）作為系統(tǒng)的控制器。 將

6、所有的器件集成在一塊芯片上，這樣外圍電路較少，控制板的體積小，穩(wěn)定性高，擴(kuò)展性能好；而且fpga采用并行的輸入/輸出方式，系統(tǒng)處理速度快，再加上fpga有方便的開發(fā)環(huán)境和豐富的開發(fā)工具等資源可利用，易于調(diào)試；但是fpga得成本偏高，算術(shù)運(yùn)算能力不強(qiáng)，而本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)會用到較多算術(shù)運(yùn)算，所以fpga的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)。方案二：采用stc公司的stc89s52rc單片機(jī)作為主控制器。 stc89c52rc單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時鐘/機(jī)器周期和6時鐘/機(jī)器周期可以任意選擇。并且由于其成本低，體積小和功耗低等

7、優(yōu)點(diǎn)，使其在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；另外，由于本設(shè)計(jì)中會用到較多的算術(shù)運(yùn)算，所以對本系統(tǒng)來說非常適合利用單片機(jī)作為控制器。從方便使用的角度考慮，我們選擇了方案二，采用stc公司的stc89c52rc單片機(jī)作為主控制器。1.2風(fēng)扇控制方案選擇方案一：采用可控硅控制調(diào)速，通過控制雙向可控硅的導(dǎo)通角，使輸出端電壓發(fā)生改變，從而使施加在電風(fēng)扇的輸入電壓發(fā)生改變，以調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)各檔位風(fēng)速的無級調(diào)速。但可控硅控制控制原理決定了只能滯后觸發(fā)，因此，晶閘管可控制整流器對交流電源來說相當(dāng)于一個感性負(fù)載，吸取滯后的無功電流，因此功率因素低。故我們不選用該方案。方案二：采用直流斬波控制，改變電壓輸出開關(guān)斷時間，將

8、直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，即可實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇調(diào)速控制，它具有效率高、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。我們可以采用單片機(jī)由軟件來實(shí)現(xiàn)pwm波，簡化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，通過改變pwm波的占空比的值即可改變電樞端電壓的平均值從而達(dá)到調(diào)速的目的。 故綜合考慮實(shí)際中選擇方案二。1.3電機(jī)驅(qū)動的論證與選擇 方案一：采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對軸流風(fēng)機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。 方案二：采用集成電路驅(qū)動芯片l298n，l298n內(nèi)含兩個h橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，可驅(qū)動46v,2a以下電機(jī),1和15腳可單獨(dú)引出接電

9、流采樣電阻器,形成電流傳感信號，同時通過單片機(jī)控制產(chǎn)生pwm波，精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路驅(qū)動能力強(qiáng)，可以簡單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，穩(wěn)定性高。 方案三：采用互補(bǔ)硅功率達(dá)林頓管tip142t實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動,采用該方法電路連接比較簡單，穩(wěn)定性好，成本低廉，但不足之處是由于使用分立元件，安裝和調(diào)試相對麻煩?；谏鲜隼碚摲治?，本系統(tǒng)采用方案二作為電機(jī)驅(qū)動電路。l298n驅(qū)動電路圖1.4速度控制的論證與選擇 方案一：采用d/a變換電路將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成控制電機(jī)電壓的模擬量。再利用電平的高低達(dá)到調(diào)速的目的。本方案達(dá)到了利用cpu輸出的數(shù)字量精確控制模擬量的目的。但是電路比較復(fù)雜，成本較高。 方案二：采用脈寬

10、調(diào)制方式（pwm）從i/o口輸出不同占空比的脈沖，經(jīng)濾波后獲得不同甘共苦高低電平控制電機(jī)。本方案可以達(dá)到對速度的控制要求，且控制簡單易實(shí)現(xiàn)?？偨Y(jié)：通過比較明顯方案二最單潔清晰、容易實(shí)現(xiàn)、速度快、精度高。從系統(tǒng)指標(biāo)要求來看，對速度要求較高，低速與高速之間差別較大，且準(zhǔn)確度要求高，各個速度之間的切換也要求簡單、迅速。所以我們選用方案二作為控制部分具體實(shí)施的方案。1.5角度測量方案選擇 方案1:采用由uzz9001和kmz41組成角度測量模塊，kmz41是一種利用磁阻效應(yīng)測量角度的傳感器 ，采用非接觸的方式利用磁場對介質(zhì)材料電阻的影響將角度信號轉(zhuǎn)換為電信號，能夠?qū)?80 范圍內(nèi)的角度信號進(jìn)行測量，并

11、利用spi方式提供 11位的角度信號輸出。避免了由接觸面帶來的損耗 ，該型傳感器體積小、價格低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。但使用該方案需外加磁場，外界磁場對角度測量影響誤差大，故不選用此方案。方案二：采用三軸加速度陀螺儀。陀螺儀范圍：+250 -250 + 500 -500 + 1000 -1000 + 2000 -2000/s,加速度范圍：+ 2 -2 +4 -4 +8 -8 +16 -16g在經(jīng)過計(jì)算之后能準(zhǔn)確測量出軸流風(fēng)機(jī)偏離的豎直平面的夾角，易于單片機(jī)控制。同時mpu-6050芯片可與52板通信，電路簡單。 綜上考慮我們選擇此方案二，采用三軸加速度陀螺儀。 1.6顯示方案選擇 方案一：使用數(shù)碼管顯

12、示，通過數(shù)碼管顯示被測角度和設(shè)定角度。該方案程序簡單，但硬件占用單片機(jī)i/o口較多，對于盡量節(jié)約端口，讓線路簡單來說不是好方法，而且顯示也不夠直觀靈活，只能顯示數(shù)字，不能顯示漢字顯示功能提示，故不適合本次設(shè)計(jì)應(yīng)用。方案二：使用液晶屏lcd12864，具有體積小，使用方便等特點(diǎn)。并且可以顯示字母，數(shù)字及漢字等功能，觀察顯示很直觀，通過字幕顯示各種菜單界面 、設(shè)定角度、測量角度等。該方案程序較復(fù)雜，但顯示觀察清晰，顯示直全符合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能。故為最佳方案，我們選擇方案二。12864液晶顯示原理圖二系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1 風(fēng)扇調(diào)試原理 單片機(jī)控制的小型直流電機(jī)的一般采用pwm脈沖調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)速度的

13、控制。 pwm基本原理: pwm即脈沖寬度調(diào)制（定義），是直流電源電壓基本不變的情況下通過電子開關(guān)的通斷，改變施加到電機(jī)電樞端得直流電壓脈沖寬度（即所謂的占空比），以調(diào)節(jié)輸入電機(jī)電樞的電壓平均值的調(diào)速方式。 通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的占空比來改變平均壓的大小，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。設(shè)電機(jī)始終接通電源時，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為vmax, 設(shè)占空比為d=t1t，則電機(jī)的平均速度為式中，vd - 電機(jī)的平均速度； vmax- -電機(jī)全通電時的速度(最大)； d=t1t -占空比。 由此可見，當(dāng)我們改變占空比d：t1t時，就可以得到不同的電機(jī)平均速

14、度vd ，嚴(yán)格地講，平均速度 vd與占空比 d并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可以將其近似地看成線性關(guān)系。風(fēng)扇驅(qū)動電路2.2 風(fēng)力擺狀態(tài)的測量與計(jì)算 采用高精度的陀螺加速度計(jì)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 加速度計(jì)，以及一個可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動處理器dmp。mpu6050 和所有設(shè)備寄存器之間的通信采用400khz的i2c 接口，實(shí)現(xiàn)高速通信。且內(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 對陀螺儀和加速度計(jì)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

15、量，通過dmp處理器讀取測量數(shù)據(jù)然后通過串口輸出。 角度檢測電路2.3控制算法的分析 本系統(tǒng)采用pid 算法來控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動的速度。風(fēng)機(jī)開始工作后，陀螺加速度計(jì)mpu6050采集模塊不斷采集當(dāng)前風(fēng)力擺姿態(tài)角狀態(tài)，并與之前的狀態(tài)比較，使得風(fēng)力擺的運(yùn)動狀態(tài)逐漸趨向于平穩(wěn)。pid 算法控制器由舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度比例p、角度誤差積分i和角度微分d 組成。 風(fēng)力擺轉(zhuǎn)動角度比例p：對風(fēng)力擺角速度進(jìn)行比例調(diào)整，即對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動速度調(diào)整。比例越大，調(diào)節(jié)速度越快。但不能過大，過大可能造成四風(fēng)機(jī)因工作狀態(tài)突變而是擺桿不穩(wěn)定。 角度誤差積分i：使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高無差度。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,動態(tài)響應(yīng)變慢。本系統(tǒng)

16、追求更快更穩(wěn)完成對風(fēng)力擺的控制，因此，本系統(tǒng)對積分調(diào)節(jié)的需要就非常弱。即保證在不需要時系統(tǒng)不會受到影響。 角度微分d：微分作用反映風(fēng)力擺角度的變化率，即角速度。具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢因此能產(chǎn)生超前的控制作用,在偏差還沒有形成之前,已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此,可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下,減少調(diào)節(jié)時間。三系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.1機(jī)械結(jié)構(gòu) 機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。故該風(fēng)力擺以鐵板作為底座，穩(wěn)固性能好，其機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如下：風(fēng)力擺結(jié)構(gòu)示意圖3.2測控電路結(jié)構(gòu) mpu6050 正反饋 12864液晶顯示軸流風(fēng)機(jī)電機(jī)驅(qū)動 stc89s52 鍵盤 電源四系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 主

17、程序流程圖 開始是否有按鍵按下？ n y 單片機(jī)stc89c52 軸流風(fēng)機(jī) 三軸加速度陀螺儀 實(shí)現(xiàn)基本要求結(jié)束五測試方案及結(jié)果基本要求一： 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。時間（s） 誤差1誤差2誤差3誤差4誤差5第一次測試13.22.01.8-1.62.1-1.9第二次測試12.7-1.82.11.2-1.72.1第三次測試12.92.21.3-1.41.6-2.0表1 風(fēng)力擺畫長于50cm 直線測試六.結(jié)束語 經(jīng)過我們小組的努力，我們終于成功的完成了題目的要求。制作過程中，我們遇到了很多困難，比如三軸加速度陀螺儀的使用，12864液晶屏的顯示，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)

18、速的調(diào)整等。但我們通過自己研究，都一一克服了。經(jīng)過這次比賽我們深刻體會到了團(tuán)隊(duì)精神和自己解決問題的能力，在此，衷心的感謝老師們對我們的培養(yǎng)。 七.參考文獻(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(jì)競賽訓(xùn)練教程m.北京:電子工業(yè)出版社,2007.4 高吉祥,唐朝京.全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽培訓(xùn)系列教程（電子儀器儀表設(shè)計(jì)）m.北京:電子工業(yè)出版社,2007.5張友德、趙志英、涂時亮.單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)踐（第五版）m.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，

19、2009.6郭天祥.新概念51 單片機(jī)c 語言教程.入門、提高、開發(fā)m.北京：電子工業(yè)出版社，2009.7梁明理.電子線路（第五版）m.北京：高等教育出版社，2008.附錄：主程序：#include #include #include typedef.h#include lcd12864.h#include i2c.h#include pwm.h#include sbit.h byte buf8; uchar dis5, c_i = 0,ds_arr5,setbh_arr5;uchar key_1_types =0;int dis_data,acce_x,acce_y,acce_z;float

20、 angleax,angleyx,anglezx;void init() ea=1; ex0=0; it0=1;void scanf_key0()if(!key_1)delay1ms(10);if(!key_1)while(!key_1);key_1_types+;if(key_1_types 15 )key_1_types = 0;void play_page0() myprintf_s12864(0,1,2015年電子設(shè));myprintf_s12864(1,2,計(jì)大賽);myprintf_s12864(2,0,風(fēng)力擺);myprintf_s12864(2,3,控制系統(tǒng));myprintf

21、_s12864(3,0,基礎(chǔ)部分:);void display() float x,y,z; myprintf_c12864(1,0,x); myprintf_c12864(2,0,y); myprintf_c12864(3,0,z);acce_x=(getdata(accel_xout_h);acce_z=(getdata(accel_zout_h);x=(float)acce_x/4096.0;z=(float)acce_z/4096.0; angleax=atan2(x,z)*180/3.14;lcd12864printf(dis,angleax);myprintf_s12864(1,1

22、,軸夾角);lcd12864_writedata(:);for(c_i = 0;c_i 5;c_i+) lcd12864_writedata(disc_i); lcd12864_writedata(0xa1); lcd12864_writedata(0xe3);acce_y=(getdata(accel_yout_h);acce_z=(getdata(accel_zout_h);y=(float)acce_y/4096.0;z=(float)acce_z/4096.0; angleyx=atan2(y,z)*180/3.14;lcd12864printf(ds_arr, angleyx);myprintf_s12864(2,1,軸夾角);lcd12864_writedata(:);for(c_i = 0;c_i 5;c_i+) lcd12864_writedat