全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽風力擺控制系統(tǒng)論文要點

1、2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽風力擺控制系統(tǒng)2015年8月15日摘 要系統(tǒng)為由STC 12單片機控制模塊、姿態(tài)采集模塊、風力擺模塊、液晶顯示模塊、人機交互系統(tǒng)以及風力擺機械結(jié)構(gòu)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。MPU6050采集風力擺的姿態(tài)角，單片機處理姿態(tài)角數(shù)據(jù)后通過 PID精確算法調(diào)節(jié)直流風機以控制風力擺。本系統(tǒng)實現(xiàn)了風力擺在 僅受直流風機為動力控制下快速起擺、畫線、恢復(fù)靜止的功能，并能準確畫圓，且受風力影響后能夠快速的恢復(fù)畫圓狀態(tài)，具有很好的魯棒性，另外，本系統(tǒng)具有良好的人機交互界面，各參數(shù)及測試模式可有按鍵并通過液晶顯示，性能好，反應(yīng)速度快。關(guān)鍵詞：PID算法 MPU6050 STC 12單片機

2、人機交互I一、系統(tǒng)方案 11.1 主控制器件的論證與選擇 11.2 姿勢采集的論證與選擇 1二、系統(tǒng)理論分析與計算 22.1、 風力擺控制系統(tǒng)的分析 22.2、 基礎(chǔ)部分功能實現(xiàn)的分析與計算 32.2.1 基礎(chǔ)一功能實現(xiàn)的分析與計算 32.3、 發(fā)揮部分功能實現(xiàn)的分析與計算 4三、電路與程序設(shè)計 53.1 電路的設(shè)計 53.2 基礎(chǔ)部分系統(tǒng)框圖與電路原理圖 53.2.1 基礎(chǔ)部分系統(tǒng)框圖 53.3 發(fā)揮部分系統(tǒng)框圖與電路原理圖 63.3.1 系統(tǒng)框圖 63.4 電源 63.5 程序的設(shè)計 63.5.1 程序功能描述與設(shè)計思路 63.5.2 程序流程圖 6四、測量方案與測量結(jié)果 74.1 測量工

3、具 74.2 測試方案及結(jié)果 7五、結(jié)論與心得 8六、參考文獻 9附錄1:電路原理圖 10附錄2:源程序（部分） 11風力擺控制系統(tǒng)【本科組】、系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由STC12單片機控制模塊、姿態(tài)采集模塊、風力擺模塊、液晶顯示模 塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。1.1、 主控制器件的論證與選擇1.1.1 單片機比較控制器選用方案一：采用傳統(tǒng)的51系列單片機傳統(tǒng)的51單片機為8位機，價格便宜，控制簡 單，但是運算速度慢，片內(nèi)資源少，存儲容量小，難以存儲大體積的程序和實現(xiàn)快速精 準的反應(yīng)控制。并且受時鐘限制，計時精度不高，外圍電路也增加了系統(tǒng)的不可靠性。方案二：采用以增強型80C51

4、內(nèi)核的STC系列單片機STC12C5A60S2其片內(nèi)集成了 60KB程序Flash, 2通道PWM 16位定時器等資源，操作也較為簡單，具有在系統(tǒng)調(diào)試 功能（ISD）,開發(fā)環(huán)境非常容易搭建通過比較，我們選擇方案二，采用以增強型 80C51內(nèi)核的STC系列單片機STC12C5A60暗為控制器。1.1.2 控制系統(tǒng)方案選擇方案一：采用在面包板上搭建簡易單片機系統(tǒng)在面包板上搭建單片機系統(tǒng)可以方便 的對硬件做隨時修改，也易于搭建，但是系統(tǒng)連線較多，不僅相互干擾，使電路雜亂無 章，而且系統(tǒng)可靠性低，不適合本系統(tǒng)使用。方案二：自制單片機印刷電路板自制印刷電路實現(xiàn)較為困難，實現(xiàn)周期長，此外也會花費較多的時間

5、，影響整體設(shè)計進 程。不宜米用該方案。方案三：采用單片機最小系統(tǒng)。單片機最小系統(tǒng)包含了顯示、矩陣鍵盤、A/D、D/A等模塊，能明顯減少外圍電路的設(shè)計，降低系統(tǒng)設(shè)計的難度，非常適合本系統(tǒng)的設(shè)計。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.2、 姿勢采集的論證與選擇方案一：只測量風力擺關(guān)于靜止狀態(tài)時的偏轉(zhuǎn)角。采用二維平面內(nèi)角位移傳感器測 量風力擺轉(zhuǎn)動時關(guān)于靜止狀態(tài)時的偏轉(zhuǎn)角，通過控制該偏轉(zhuǎn)角實現(xiàn)對流風機的控制。該 方案軟件處理繁瑣，且二維平面內(nèi)的角位移傳感器不利于測量風力擺的空間位置，不利 于實現(xiàn)對風力擺的精確控制。方案二：選用雙軸傾角傳感器模塊 LE-60-OEMLE-60-OEM測量重力加速度變化， 轉(zhuǎn)

6、為傾角變化，可測量雙向。具有穩(wěn)定性高、低功耗、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。響應(yīng)速度為5Hz 它可以測量平衡板與水平方向的夾角，x,y方向可以測，但z軸不可測。且操作復(fù)雜， 軟件處理難度大。方案三：采用三維角度傳感器。用三維角度傳感器時刻測量風力擺當前姿態(tài)，通過 處理采集的姿態(tài)角數(shù)據(jù)控制風機帶動風力擺運動。此方案可精確測量風力擺當前姿態(tài)， 實現(xiàn)對風力擺的精確控制。綜合比較以上兩個方案，本系統(tǒng)選擇方案三。1.3、 控制系統(tǒng)的論證與選擇1.3.1 風機速度控制方案一：采用D/A變換電路將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成控制電機電壓的模擬量。再利用電平的高低達到調(diào)速的目的。原理框圖如圖1所示。本方案達到了利用CPU俞出的數(shù)字量精確

7、控制模擬量的目的。但原電路比較復(fù)雜，成本較高。方案二：采用脈寬調(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 同高低電平控制電機。本方案可以達到對速度的控制要求，且控制簡單易實現(xiàn)。通過比較明顯方案二最簡潔清晰、容易實現(xiàn)、速度快、精度高。從系統(tǒng)指標要求來 看，對速度要求較高，低速與高速之間差別較大，且準確度要求高，各個速度之間的切 換也要求簡單、迅速。采用方案二可利用單片機運行速度快的特點進行速度的快速調(diào)整， 且方案二速度準確度高、級數(shù)多容易達到系統(tǒng)指標要求。所以我們選用方案二作為控制部分具體實施的方案。1.3.2 算法的選擇方案一、采用模糊才$制算法，模糊控制有許多良好的特性

8、，它不需要事先知道對象的 數(shù)學(xué)模型，具有系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)小、過渡過程時間短等優(yōu)點，但編程復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理 量大。方案二、采用PID算法，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系，進行運算，將其運算結(jié)果 用以輸出控制。優(yōu)點是控制精度高，且算法簡單明了。對于本系統(tǒng)的控制已足夠精確， 節(jié)約了單片機的資源和運算時間。綜合比較以上兩個方案，本系統(tǒng)選擇方案二。二、系統(tǒng)理論分析與計算2.1、 風力擺控制系統(tǒng)的分析2.1.1 風力擺系統(tǒng)模型建立(1)建立風力擺運動模型，由于系統(tǒng)是由輕桿和風機等組成，相較于風機，輕桿質(zhì)量很 小，可以近似認為旋轉(zhuǎn)臂重心在風機中心線上附近，風機沿半徑為L的弧長自由擺動。示意圖如圖圖.1自由擺模型

9、示意圖最低位置時風機將達到最大速度，因此在不計空氣阻力及固定點摩擦力的下利12用能量守恒定律有：mg （1 - cos 8） =m寧，在8不超過60° , l=70cm的情況下計算得v=2.236m/s ,由角速度與線速度之間的關(guān)系，得出 w =- =128/s l自由擺周期計算根據(jù)單擺的周期計算公式T =2n右;得單擺周期T=1.732m02. 2、基礎(chǔ)部分功能實現(xiàn)的分析與計算2.1.1 基礎(chǔ)一功能實現(xiàn)的分析與計算如圖2:圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖要繪制超過50cm的直線段，只需要在平面內(nèi)運動即可，如上圖所示，只需要 求于RR25cm,有公式：tan 6 =;貝 日=arctan（）Li2Li

10、 L2其中，R為橫向擺動半長，Li為擺桿長，L2為激光筆長（L2可忽略不計）。2.1.2 基礎(chǔ)二功能實現(xiàn)的分析與計算要實現(xiàn)任意設(shè)置的線段長度，相當于需要實現(xiàn)指定范圍內(nèi)任意的角度，必須使用閉環(huán)控制，否則很難實現(xiàn)精確控制。計算公式和基本部分（1） 一樣，不過，我們需要增加閉 環(huán)控制算法，詳述如下：設(shè)置任意直線段長度（3060cm問）？R,那么，對應(yīng)的擺桿最 大角度（角度閾值）為 日=arctan（R一）。L1 L2如此轉(zhuǎn)換便可得到我們能夠測量的物理量（傾角）傳感器將傾角，角速度返回MCU MCU 通過控制軸流風機產(chǎn)生空氣推力推動擺桿擺動。2.2.3 基礎(chǔ)三功能實現(xiàn)的分析與計算圖3軸流風機俯視圖假設(shè)

11、軸流風機呈“ 十”形狀分布，分別對應(yīng)X, Y軸方向，那么如果設(shè)定某一擺動方向，與X軸呈0角,那么：tanH =，貝U日=arctan（）。FxFx這需要四臺軸流風機配合，形成合力方可實現(xiàn)，而四臺風機分別位于X, Y軸線上，只需要兩個軸線上的風機各自產(chǎn)生的空氣推力呈比例，即，tan6 =其中，9是自行設(shè)置的，軸向風機應(yīng)產(chǎn)生空氣推力的比例為 72 , MCU將控 Fx制電機的PWM置為相應(yīng)比例，反復(fù)調(diào)節(jié)幾次便可以使擺動角度達到要求。2.2.4 基礎(chǔ)四的功能實現(xiàn)與計算拉起一定角度后，需要提供與運動方向相反的力，阻礙擺桿運動。設(shè)定值半長 R = 0,一R則=arctan（）=0；此為平衡包置。重力萬向

12、（自然平衡點）為需要控制達到的轉(zhuǎn)Li2態(tài)，無論以何種方向拉起擺桿，傾角傳感器的X、Y軸角度都會產(chǎn)生變化（除非沿軸向）， 這樣，根據(jù)X、Y軸的傾角、角速度數(shù)據(jù)（PD算法）分別控制X、Y軸向的風機，使 之分別達到平衡狀態(tài)。2.2.5 3、發(fā)揮部分功能實現(xiàn)的分析與計算圖4畫圓示意圖#如上圖，激光筆的圓周軌跡可以通過激光筆 x軸的軌跡和y軸的軌跡合成得到。即 當x軸和y軸兩個方向的運動軌跡是等幅且相位相差 90° ,這樣通過兩個x和y兩個方向的運動合成，即可使激光筆的軌跡呈現(xiàn)一個圓。x軸和y軸方向的運動模型即是基礎(chǔ)部分提到的直線運動模型。開始時讓擺桿能在 x軸方向穩(wěn)定擺動一個角度8,當擺到最

13、 高點時，同時讓擺桿在y軸方向開始起振（即滿足相位差為 90。），并通過調(diào)節(jié)相對的 兩個風機轉(zhuǎn)速是擺桿在y軸方向也穩(wěn)定擺動9 （即滿足振幅相等）三、電路與程序設(shè)計3.1 、電路的設(shè)計3.1.1 系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖5所示，系統(tǒng)總體框圖圖5系統(tǒng)總體框圖3.1.2 電路原理圖見附錄13.2 基礎(chǔ)部分系統(tǒng)框圖與電路原理圖3.2.1 基礎(chǔ)部分系統(tǒng)框圖定值圖6基礎(chǔ)部分系統(tǒng)框圖3.2.2 、基礎(chǔ)部分系統(tǒng)原理電路見附錄173.3 發(fā)揮部分系統(tǒng)框圖與電路原理圖3.3.1系統(tǒng)框序一設(shè)定值圖7 發(fā)揮部分系統(tǒng)框圖3.3.2、發(fā)揮部分系統(tǒng)電路圖見附錄13.4 電源用集成穩(wěn)壓器7805,電路圖中,穩(wěn)壓器7805

14、輸入端的電容為輸入端濾波電容，輸 出端的電容為輸出端濾波電容；家用電 220V經(jīng)過變壓器接入供電電源模塊，能輸出直 流電壓-12V、-5V、5V、12V。電源原理圖見附錄3.5 、程序的設(shè)計3.5.1 程序功能描述與設(shè)計思路本系統(tǒng)采用三個獨立按鍵輸入各參數(shù)及測試模式，系統(tǒng)開機啟動進入系統(tǒng)初始化界 面，按下指定按鍵后進入菜單選擇界面，菜單選擇界面有6個功能：分別對應(yīng)題目基本要求和發(fā)揮部分6點，通過按鍵可以選擇進入相應(yīng)的功能，功能執(zhí)行完畢后系統(tǒng)回到菜 單選擇界面，繼續(xù)等待按鍵輸入執(zhí)行相應(yīng)的功能。3.5.2 程序流程圖貼 卮妹界而，於，丫L界附功佬時按I-整車費京1四、測試方案與測試結(jié)果4.1 測量

15、工具(1)秒表(2)量角器(3)自制方向角度圖紙4.2 測試方案及結(jié)果4.2.1 驅(qū)動風力擺工作，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間及最大偏差距離。測試結(jié)果如表1所示。表一風力擺畫長于50cm直線測試時間(s)1(cm)2(cm)誤差3(cm)4(cm)誤差5(cm)第一次測量5.52.42.0.0.51.31.7第二次測量5.01.91.70.31.41.6第三次測量6.01.41.00.60.81.64.2.2 設(shè)置風力擺畫線長度，驅(qū)動風力擺工作，記錄其由靜止至開始自由擺時間及在畫 不同長度直線時的最大偏差距離。測試結(jié)果如表 2所

16、示表二風力擺畫不同長度直線測試時間(s)1(cm)2(cm)誤差3(cm)4(cm)誤差5(cm)畫30cm直線13.6+1.0+ 1.5-1.0-1.0-1.1畫40cm直線14.5+ 1.5-0.5-0.9-1.0-1.1畫50cm直線14.0+ 1.0+0.8+0.5+0.4-0.54.2.3 設(shè)置風力擺自由擺時的角度，驅(qū)動風力擺工作，記錄其由靜止到開始擺時間及在不同角度上的直線時的最大偏離距離，測試結(jié)果如圖3所示。表三風力擺畫不同角度直線測試時間(s)長度1(cm)長度2(cm)長度3(cm)長度4 (cm)長度5(cm)畫0°直線14.021.020.522.020.621

17、.0畫90°直線12.020.021.522.021.020.5畫180 °直線11.520.521.022.521.521.0畫270 °直線13.620.621.022.521.021.0畫360 °直線13.420.022.020.520.521.54.2.4 將風力擺拉起一定角度放開，驅(qū)動風力擺工作，測試風力擺制動達到靜止狀態(tài)所用時間。測試結(jié)果如表4所示表四風力擺恢復(fù)靜止測試T (s)時間（1）時間（2）時間（3）時間（4）時間（5）時間（6）拉起30°3.63.63.53.43.63.5拉起40 °3.94.04.14.24

18、.14.0拉起45°4.64.84.54.74.74.64.2.5以風力擺靜止時激光筆的光點為圓心，設(shè)置風力擺畫圓半徑，驅(qū)動風力擺用激光筆在地面畫圓，記錄其畫三次圓所用時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。4.2.6在4.2.5 的基礎(chǔ)上，使用一臺60W臺扇在距離風力擺1m距離處向其吹5s后靜止，記錄風力擺回復(fù)畫圓狀態(tài)時間。測試結(jié)果如表5所示表五風力擺畫圓測試T了、cm半徑15cm半徑20cm半徑25cm半徑30cm半徑35cm時間（1）17.618.520.523.026.5偏離距離（1）5.06.64.57.18.0恢復(fù)時間

19、（1）3.54.03.94.34.6時間（2）17.918.120.824.026.8偏離距離（2）5.16.34.57.27.9恢復(fù)時間（2）3.73.94.04.54.7時間（3）16.918.320.523.526.0偏離距離（3）5.66.44.47.07.5恢復(fù)時間（3）3.94.04.04.44.5根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，由此可以得出本設(shè)計達到設(shè)計要求 五、結(jié)論與心得首先，感謝組委會給我們這樣一個平臺，來提高我們的能力和展示自我的舞臺。我 們小組通過利用STM12單片機控制模塊、姿態(tài)采集模塊、風力擺模塊、液晶顯示模塊、 人機交互系統(tǒng)以及風力擺機械結(jié)構(gòu)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了風力擺在僅受

20、直流風機為動力控制下快速起擺、畫線、恢復(fù)靜止的功能，并能準確畫圓，且受風力影響后能夠 快速的恢復(fù)畫圓狀態(tài)，具有很好的魯棒性，另外，本系統(tǒng)具有良好的人機交互界面，各 參數(shù)及測試模式可有按鍵并通過液晶顯示，性能好，反應(yīng)速度快。經(jīng)過一個月的集訓(xùn)和 四天三夜的競爭比賽，我們感觸頗多。本年的“擺系列”可謂是達到了擺的最高境界了，從“自由擺”到“倒立擺”，再今年的“風力擺” 比賽時間了，我們小組三人，分工明確，齊心合作，,都讓我們有很好的收獲。在競爭的 一起熬儀，一起戰(zhàn)斗，取終達到了題目的要求。期間遇到的很多困難，我們不放棄，認真討論，最終得到了解決。我們?yōu)?自己的努力和不放棄感到自豪！六、參考文獻1黃智

21、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：電子工業(yè)出版社,20072康華光 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）第五版M高等教育出版社3康華光 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）第五版M高等教育出版社4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,20075郭天祥.新概念51單片機C語言教程.入門、提高、開發(fā)M.北京：電子工業(yè)出版 社，2009.6梁明理.電子線路（第五版）M.北京：高等教育出版社，200819附錄1：電路原理圖圖一：圖一系統(tǒng)原理圖DB6DB7DB1DB2DBSDB4DB5DHuERSWRGNVCCVOBG VCCBGGND

22、PDHPDO產(chǎn)PDUPD5 5fWPD?8L ICKVCC圖二液晶原理圖圖三矩陣鍵盤原理圖附錄2:源程序(部分)void PWMnit(); /PWM 初始化-一 void Uartl nit(void);/ 串口 1初始化使用獨立波特率void Time1Config();void MotorRun();void Base1Run();void Base2Run();void Base3Run();void Deve op1Run();ms級void Deve op2Run();od DelayMs(uint ms) 在11.0592M晶振下，stc10f系列(單周期指令)(寸uint i;

23、while(ms-)for(i = 0; i < 850; i+);延時程序去抖動 void delayTShake()uchar m,n,s;for(m=20；m>0;m-) I I I I I I I I I I I ffor(n=20；n>0;n-) for(s=248;s>0;s-);void main() (PWMInit ();/ /Uart1Init();IcdinitQ;/LCD12864 初始化TimelConfig();CCAP1H =港CAP1L = 0; /此延原該設(shè)自合痣述及以達到合適振蕩CCAP0H = CCAP0L = 0; / 止匕處一！

24、：打開是晌ucStrAngle0=0;ucStrAnglel=0;ucStrAngle2=0;ucStrAngle3=0;ucStrw0=0; ucStrw1=0; ucStrw2=0; ucStrw3=0;EN1=0;EN2=0;EN3=0;EN4=0;while(1) MotorRun();初始化/ 一直打開是否有影響void PWMInit ( ) /PWM(CCON = 0;CL = 0;CH = 0;CMOD = 0x00;CCAPM1 = 0x42;CCAPM0 = 0x42;CR = 1;void Base1Run() CCAP1H = CCAP1L = 0;DXH=0;whil

25、e(flag) if(XJIA=0)d delayTShake(); if(XJ!A=0) while(!XJIA);i+; if(XJIAN=0) d delayTShake();if(XJIAN=0) while(!XJIAN); i-;if(KAISHI=0)delayTShake(); if(KAISHI=0) while(!KAISHI);flag=0;) Xaim=jiaodui-30;/在此處查表while est(i,0,0)；TR1=1;b10=(short)(ucStrw1<<8| ucStrw/32768.0*2000;砌)StrAng e0)/32768.0

26、*180;short)(ucStrAng e3<<8 ucStrAnge2)/32768.0*180;b1= (short)(ucStrAnge1<<8 ucmax<fabs(b1)b1max=fabs(b1);if(b2max<fabs(b2)；b2max=fabs(b2);j=abs(int)(174.0*tan(b1max*PI/180);j0=abs(int)(174.0*tan(fabs(b1)*PI/180);k=abs(int)(174.0*tan(b2max*PI/180);if(b10>0)EN1=0;EN2=1;else Le EN

27、1=1;EN2=0;/ 大于16度即達到50cm，可調(diào)節(jié)比此范圍小自蕩上去EN1=0;EN2=0;) Test(i,j,k)；void Base2Run()void Base3Run() DXH=0;CCAP1H = CCAP1L = 120; /此處應(yīng)該設(shè)置合適速度以達到合適振蕩CCAP0H = CCAP0L = 40;while(flag)EN1=0;EN2=0;EN3=0;EN4=0;if(KAISHI=0)D DelayMs(5); if(KA!SHI=0) while(!KAISHI); flag=0;while (1)TR1=1;if(timer2>=160) /PWM周期為

28、100*0.5mstimer2=0;DXH=1;b10=(short)(ucStrw1<<8 ucStrw0)/32768.0*2000;b20=(short)(ucStrw3<<8 ucStrw2)/32768.0*2000;b1= (short)(ucStrAng e1<<8 ucStrAng e0)/32768.0*180;r(short)(ucStrAnge3<<8 ucStrAng e2)/32768.0*180;max<fabs(b1)b b1max=fabs(b1); if(b2max<fabs(b2)；b2max=fabs(b2);j=abs(int)(174.0*tan(b1max*PI/180);J 二乂(int)(174.0*tan(fabs(b1)*PI/180);bs(int)(174.0*tan(b2max*PI/180);k0=abs(int)(174.0*tan(fabs(b2)*PI/180);0=absk=aif(fabs(b10)<6)&&(fabs(b1)<4)&&(fabs(b2)<3)&&(fabs(b20)<