風(fēng)力擺控制系統(tǒng)-論文最終版

1、風(fēng)力擺控制系統(tǒng)論文最終版2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽（瑞薩杯）風(fēng)力擺控制系統(tǒng)（B題）2015年8月15日本文論述了風(fēng)力擺系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)思路。系統(tǒng)采用STM32F103單片機(jī)為主要控制 系統(tǒng)，用角位移傳感器mpu-6050釆集到風(fēng)力擺的擺頭的角度及位置，通過I2C總線傳 輸發(fā)送到主控系統(tǒng)中，采用lcdl2864顯示采集到的信息，通過PID進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生 相應(yīng)的PWM信號，發(fā)送到相應(yīng)的直流風(fēng)機(jī)，控制直流風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)自山擺動(dòng)，從而畫出直線、 圓等軌跡。關(guān)鍵詞：STM32F103單片機(jī)：角位移傳感器mpu-6050； PID算法摘要I目錄II一、方案設(shè)計(jì)與論證11.1方案比較與選擇1控制器模

2、塊比較與選擇1角度傳感器模塊比較與選擇1驅(qū)動(dòng)模塊的比較與選擇11.2系統(tǒng)最終方案選擇1二、測控方法分析與論證22.1風(fēng)力擺狀態(tài)測量分析22.2運(yùn)動(dòng)控制2電機(jī)的比較與選擇2控制原理和計(jì)算公式2三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析33.1.1 STM32F103單片機(jī)最小系統(tǒng)電路3電源模塊：4驅(qū)動(dòng)模塊：4陀螺儀模塊4系統(tǒng)整體電路原理圖43.2軟件程序設(shè)計(jì)4程序功能描述與設(shè)計(jì)思路43.2.2 程序流程圖4程序設(shè)計(jì)5四、測試方案與測試結(jié)果54.1測試方案54.2測試儀器54.3測試結(jié)果及分析5測試結(jié)果（數(shù)據(jù)）5測試分析與結(jié)論6五、 總結(jié)6參考文獻(xiàn)7附錄一電路原理圖8附錄二程序流程圖9附錄三部分程序10附錄四元器件清單1

3、1一、方案設(shè)計(jì)與論證1.1方案比較與選擇控制器模塊比較與選擇方案一：采用STC89C51單片機(jī)作為控制器。STC89C51價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡單,且資料豐富; 但是51單片機(jī)系統(tǒng)資源有限，8位控制器，運(yùn)算能力有限，無法達(dá)到較高的精度，需要外 接大量外圍電路，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，達(dá)不到系統(tǒng)要求。方案二：采用MSP430G2553單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。MSP430G2553單片機(jī)內(nèi)部集成精 度高，是16位單片機(jī)，但其外部接口較少，運(yùn)算速度相對較慢，達(dá)不到要求。方案三：采用STM32F103單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。STM32F103單片機(jī)是32位單片機(jī)， 內(nèi)部及程度高，擁有大量外部接口，運(yùn)算速度高，能夠滿足

4、題中對數(shù)據(jù)的快速采集和處理。綜合以上三種方案，我們選擇方案三中的STM32F103單片機(jī)。角度傳感器模塊比較與選擇方案一：采用編碼器根據(jù)脈沖數(shù)計(jì)算出角度，但是編碼器體積較大，安裝不方便，有突變 現(xiàn)象，容易導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤，故不能滿足題目要求。方案二：采用ENC陀螺儀，ENC陀螺儀能輸出一個(gè)和角速度成正比的模擬電壓信號，響 應(yīng)速度快，驅(qū)動(dòng)電壓和功耗較低。但是容易發(fā)生溫漂，噪聲較大，穩(wěn)定性較差。方案三：采用MPU-6050三維角度傳感器，MPU-6050集成了 3軸陀螺儀，3軸加速度計(jì), 以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP,可輸出數(shù)字量，穩(wěn)定性極高，測量精度高。綜合比較以上方案，我們選擇方案三中的M

5、PU-6050傳感器作為系統(tǒng)的角度傳感器。驅(qū)動(dòng)模塊的比較與選擇方案一：采用L298驅(qū)動(dòng)，L298是專用驅(qū)動(dòng)集成電路，屬于H橋集成電路，內(nèi)部包含4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。但其輸出電流不能超過4A,比較容易發(fā)熱，不能符合題U的較大電 流。方案二：采用互補(bǔ)硅功率達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)，采用該方法電路連接比較簡單，穩(wěn)定性好，成本 低廉，但不足之處是山于使用分立元件，反應(yīng)速度較慢不能題LI對軸流風(fēng)機(jī)快速反應(yīng)的要 求。方案三：采用電子調(diào)速器驅(qū)動(dòng)，它根據(jù)控制信號調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，操作方便，具有過溫、 過壓、欠壓、過流及短路保護(hù)的功能。具有極好的驅(qū)動(dòng)能力，反應(yīng)靈墩，能夠很好的滿足 題目的要求。綜合以上三種方案，我們選擇方案

6、三中的電子調(diào)速器驅(qū)動(dòng)。1.2系統(tǒng)最終方案選擇其中error為擺桿的角度差，set_angle對應(yīng)擺桿平衡時(shí)的角度值，anggle_one對應(yīng)擺桿 當(dāng)前的角度值。up=kp?error (2)kp為比例調(diào)節(jié)系數(shù)，通過公式可以看出增大kp可知角度差的作用加強(qiáng)，可加強(qiáng)系統(tǒng)的 強(qiáng)硬速度，使擺桿的迅速達(dá)到直立的狀態(tài)。ud=kd? (angleone-anggle_one_old)(3)anggle_one_old對應(yīng)擺桿上一次采集到的角度值。kd為微分調(diào)節(jié)系數(shù)，angleone-anggle_one_old對應(yīng)角度的變化值，因此可知，調(diào)節(jié)kd可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性 能。pwm=up-ud (4)把PWM的

7、值給電機(jī)即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使擺桿的角度改變。最終實(shí)現(xiàn)擺桿的站直并穩(wěn) 定。三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析3.1主要電路設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖3.1 STM32F103單片機(jī)最小系統(tǒng)電源模塊：圖3.2電源模塊電路圖驅(qū)動(dòng)模塊：圖3.3驅(qū)動(dòng)模塊電路圖陀螺儀模塊見附錄一圖系統(tǒng)整體電路原理圖見附錄一圖1-2。3.2軟件程序設(shè)計(jì)1）程序功能描述主要是通過STM32F103單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)題U要求。2）程序設(shè)計(jì)思路本測量裝置主要指標(biāo)是通過MPU-6050采集數(shù)據(jù)，單片機(jī)STM32F103進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通 過按鍵來進(jìn)行參數(shù)整定，從而調(diào)控各個(gè)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)畫直線和畫圓等要求。程 序流程圖見附錄二。程序設(shè)計(jì)見附錄三。四

8、、測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案本作品的測試中，采用的是萬向節(jié)為軸轉(zhuǎn)中心，以角度傳感器為反饋模塊，以10。為一個(gè) 分度值，進(jìn)行角度的測量，所畫直線、圓圈的觀察。圖4-1風(fēng)力擺結(jié)構(gòu)示意圖圖4-2萬向角示意圖4.2測試儀器數(shù)字風(fēng)速儀，量角器，米尺，秒表，示波器。4.3測試結(jié)果及分析測試結(jié)果（數(shù)據(jù)）表4-1擺桿畫出直線段（大于50cm）表4-2擺桿畫出可設(shè)置長度直線（30-60cm）表4-3按設(shè)定方向擺動(dòng)畫出直線段（大于20cm）表4-4風(fēng)力擺拉起固定后角度自動(dòng)靜止（30°-45°）表4-5驅(qū)動(dòng)擺桿做3次圓周運(yùn)動(dòng)（15cm<R<35cm） 表4-6做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)施加外

9、力干擾，恢復(fù)原狀態(tài)測試分析與結(jié)論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結(jié)論：1、各個(gè)模塊工作正常。2、完成了題U的 各項(xiàng)要求；經(jīng)歷了這次的比賽讓我們懂得了基礎(chǔ)的重要性，平時(shí)的學(xué)習(xí)中不能好高鶯遠(yuǎn)，須知細(xì)節(jié)決 定成敗，也許就是一個(gè)小小的疏忽就導(dǎo)致全盤失敗，認(rèn)真的閱讀資料，不疏忽任何一個(gè)小 問題，學(xué)到了很多課堂上上沒學(xué)到的東西。通過這次比賽，不僅僅鍛煉了我們的動(dòng)手實(shí)踐 能力，獨(dú)立思考解決問題的能力，更是加強(qiáng)了我們的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識。附錄一電路原理圖陀螺儀電路圖如圖1-1所示。陀螺儀電路圖如圖1-1系統(tǒng)電路圖如圖1-2所示。系統(tǒng)電路圖如圖1-2程序流程圖圖2-1程序框圖附錄三部分程序#include &q

10、uot;1主程序流程圖如圖2-1所示。ed.h"#include "delay.h" #include "key.h" #include "sys.h" #include "usart.h" #include "timer.h" #include "mpu6050.h" #include "kalman.h" #include "12864.h" #include "adc-h"#define myMCLK

11、extern float Angle_X_Final; extern float Angle_Y_Final; extern float Angle_Z_Final; extern float Gyro_x;extern float Gyro_y; extern float Gyro_z;u8 Table6D="角度 X 軸：“;u8 Table7=M 角度 Y 軸：“;u8 Table8="度 “;extern int shu3,shu4; int main(void) int qianl=0,bail=0,shil=0,gel=0,qian2=0,bai2=0,shi2

12、=0,ge2=0;/shu3=0,shu4=0; u81;ul6 led0pwmval=1080;delay_init(72); 延時(shí)函數(shù)初始化 LCD12864_InitO； /PB10 PB11 PB12 PB13KEYJnitO； 初始化與按鍵連接的硬件接口 Adc_InitO；uart_init(9600); LEDnit0; MotolJnitO；TIM_SetCompare2(TIM3,led0pwmval);TIM_SetComparel(TIM3,led0pwmval); TIM_SetCompare3(TIM3,led0pwmval);TIM_SetCompare4(TIM3

13、,led0pwmval);delay_ms(1700);TIM_SetCompare2(TIM3,1140); TIM_SetComparel(TIM3,1140);TIM_SetCompare3(TIM3,1140); TIM_SetCompare4(TIM3,1140); delay_ms(1500);TIM_SetCompare2(TIM3,1140); TIM_SetComparel(TIM3,1100);TIM_SetCompare3(TIM3,1140); TIM_SetCompare4(TIM3,1140); /PB10 PB11 PB12 PB13I2C_MPU6050_Ini

14、t0； /IIC 初始化 PB6 PB7InitMPU60500； /MPU6050 初始化 TIM4_Int_Init(19,7999); /Is 9999 / GPI0_ResetBits(GPI0B,GPI0_Pin_5);附錄四元器件清單2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽(瑞薩杯)風(fēng)力擺控制系統(tǒng)(B題)2015年8月15日本文論述了風(fēng)力擺系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)思路。系統(tǒng)采用STM32F103單片機(jī)為主要控制 系統(tǒng)，用角位移傳感器mpu-6050采集到風(fēng)力擺的擺頭的角度及位置，通過I2C總線傳 輸發(fā)送到主控系統(tǒng)中，采用lcdl2864顯示采集到的信息，通過PID進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生 相應(yīng)的PW

15、M信號，發(fā)送到相應(yīng)的直流風(fēng)機(jī)，控制直流風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)自山擺動(dòng)，從而畫出直線、 圓等軌跡。關(guān)鍵詞：STM32F103單片札 角位移傳感器mpu-6050； PID算法摘要I目錄II一、方案設(shè)計(jì)與論證11.1方案比較與選擇1控制器模塊比較與選擇1角度傳感器模塊比較與選擇1驅(qū)動(dòng)模塊的比較與選擇11.2系統(tǒng)最終方案選擇1二、測控方法分析與論證22.1風(fēng)力擺狀態(tài)測量分析22.2運(yùn)動(dòng)控制2電機(jī)的比較與選擇2控制原理和計(jì)算公式2三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析33.1主要電路設(shè)計(jì)3單片機(jī)最小系統(tǒng)電路3電源模塊：4驅(qū)動(dòng)模塊：4陀螺儀模塊4系統(tǒng)整體電路原理圖43.2軟件程序設(shè)計(jì)4程序功能描述與設(shè)計(jì)思路4程序流程圖4程序設(shè)計(jì)5四、測

16、試方案與測試結(jié)果54.1測試方案54.2測試儀器54.3測試結(jié)果及分析5測試結(jié)果（數(shù)據(jù)）5測試分析與結(jié)論6五、 總結(jié)6參考文獻(xiàn)7附錄一電路原理圖8附錄二程序流程圖9附錄三部分程序10附錄四元器件清單11一、方案設(shè)計(jì)與論證1.1方案比較與選擇 控制器模塊比較與選擇方案一：采用STC89C51單片機(jī)作為控制器。STC89C51價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡單,且資料豐富; 但是51單片機(jī)系統(tǒng)資源有限，8位控制器，運(yùn)算能力有限，無法達(dá)到較高的精度，需要外 接大量外圍電路，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，達(dá)不到系統(tǒng)要求。方案二：采用MSP430G2553單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。MSP430G2553單片機(jī)內(nèi)部集成精 度高，是16位

17、單片機(jī)，但其外部接口較少，運(yùn)算速度相對較慢，達(dá)不到要求。方案三：采用STM32F103單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。STM32F103單片機(jī)是32位單片機(jī)， 內(nèi)部及程度高，擁有大量外部接口，運(yùn)算速度高，能夠滿足題中對數(shù)據(jù)的快速采集和處理。綜合以上三種方案，我們選擇方案三中的STM32F103單片機(jī)。角度傳感器模塊比較與選擇方案一：采用編碼器根據(jù)脈沖數(shù)汁算出角度，但是編碼器體積較大，安裝不方便，有突變 現(xiàn)象，容易導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤，故不能滿足題目要求。方案二：采用ENC陀螺儀，ENC陀螺儀能輸出一個(gè)和角速度成正比的模擬電壓信號，響 應(yīng)速度快，驅(qū)動(dòng)電壓和功耗較低。但是容易發(fā)生溫漂，噪聲較大，穩(wěn)定性較差。方案三：采用MPU-6050三維角度傳感器，MPU-6050集成了 3軸陀螺儀，3軸加速度計(jì), 以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP,可輸出數(shù)字量，穩(wěn)定性極高，測量精度高。綜合比較以上方案，我們選擇方案三中的MPU-6050傳感器作為系統(tǒng)的角度傳感器。驅(qū)動(dòng)模塊的比較與選擇方案一：采用L298驅(qū)動(dòng)，L298是