电子竞赛论文-风力摆控制系统

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1、2015年全国大学生电子设计竞赛风力摆控制系统(B题)2015年8月15日IV摘要风力摆控制系统是一电机驱动测控系统,本系统以STC89C52单片机为控制核心,由轴流风机进行驱动,MPU6050三维角度传感器进行检测,应用PID控制算法,轴流风机调速使摆臂在一定角度范围内做自由摆及圆周运动,同时可以通过显示模块显示风力摆所处状态的各种参数。本系统结构简洁分明,达到了赛题所要求的基本功能。关键词:风力摆;STC89C52;轴流风机;PID;IV目录一、系统方案论证与选择11.系统方案12.方案比较与论证1(1)控制模块的选择与论证1(2)电机驱动

2、模块的论证与选择1(3)角度检测模块的论证与选择1(4)显示方案的论证与选择2二、系统理论分析与计算21.机械结构的设计22.风力摆状态的检测与计算23.风力摆运动状态的分析34.驱动与控制算法3(1)电机驱动3(2)控制算法3三、电路及程序设计41.电路设计4(1)风机驱动电路设计4(2)显示模块52.程序设计5四、测试结果与分析61.测试仪器62.测试方案与结果6(1)风力摆做自由摆动的测试6(2)风力摆做幅度可控摆动的测试7(3)静止状态恢复测试73.测试结果分析7五、总结7参考文献9附录A主要元器件清单10IV附录B电路原理图11附录C

3、源程序12IV一、系统方案论证与选择1.系统方案本系统主要由单片机控制模块、电机驱动模块、角度检测模块、电源模块组成,键盘模块,显示模块组成。2.方案比较与论证(1)控制模块的选择与论证方案一:采用MSP430单片机MSP430系列单片机采用精简指令集结构,具有丰富的寻址方式,以及强大的处理能力并且具有超低的功耗。在运算速度方面,能在8MHz晶体的驱动下,实现125ns的指令周期。但是所占的指令空间较大,资料也比较少。方案二:采用STC89C51单片机STC89C51单片机算术运算功能强,软件编程灵活、自由度大,可用软件编程实现各种算法和逻辑控

4、制。由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点,各个领域应用广泛。并且由于芯片引脚少,在硬件很容易实现。综合上述两种方案,方案二较为简单,可以满足设计要求。(2)电机驱动模块的论证与选择方案一:采用自搭接的H桥电路选用大功率达林顿管或场效应管自制H桥电路,电路原理简单,具有高效,低功率等特点,但是性能不够稳定,电路调试复杂方案二:采用L298N电机驱动模块L298N是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动。最高工作电压可达46v,内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器,采用标准逻辑电平信号控制。电子开关的速度很快,稳定性也极强。综合

5、考虑,我们选择方案二。(3)角度检测模块的论证与选择方案一:采用MPU6050芯片MPU6050集成了3轴MEMS陀螺仪,3轴MEMS加速度计,以及一个可扩展的数字运动处理器DMP,可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器。并且容易上手。方案二:采用WDS35D芯片WDS35D传感器其测量范围为0°~360°,输出电压范围与输入电压有关,输出精度为1mv,测量精度为0.1度,线性度好,长期稳定行好,灵敏度高,可实现对角位移21的精确测量。结合我们自身综合考虑,我们选择方案一。(4)显示方案的论证与选择方案一:采用LED数码管显示LED显示具有硬

6、件电路结构简单、调试方便、软件容易实现等优点,但是数码管只能显示简单的数字,显示信息量少,不能够满足此本设计的要求。方案二:采用1602字符液晶LCD液晶显示具有功耗低、显示内容丰富、清晰、且显示信息量大等优点而得到广泛应用。综合以上两种方案选择,本设计选择方案二。二、系统理论分析与计算1.机械结构的设计风力摆支架采用木条自行搭建,整体高100cm,臂杆长50cm,摆杆采用长65cm的碳维纤管,并通过万向节固定在臂杆上一端。摆杆下端悬挂二个直流风机,并在其下端安装一个向下的激光笔。碳维纤管具有强度高,质量轻,低密度等优点,广泛应用于航模,转轴等

7、机械设备。符合本设计的要求。风力摆整体结构如图2.1所示。摆杆臂杆轴流风机图2.1风力摆结构示意图2.风力摆状态的检测与计算采用高精度的角度传感器MPU6050不断采集风力摆姿态角数据。MPU6050集成了213轴MEMS陀螺仪,3轴MEMS加速器,以及一个可扩展的数字运动处理器DMP。MPU6050和所有设备寄存器之间的通信采用400KHz的I2C接口。实现高速通信。内置的可编程卡尔曼滤波器,采用最优化自回归数据处理算法精确测量风力摆当前姿态角。MPU6050对陀螺仪和加速计分别用了三个16位的ADC,将其测量的模拟量转化为可输出的数字量,通

8、过DMP处理器读取测量数据然后通过串口输出。3.风力摆运动状态的分析风力摆采用4个36W的直流风机为动力驱动系统,角度检测模块采集风力摆姿态角。然后将

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1、2015年全国大学生电子设计竞赛风力摆控制系统(B题)2015年8月15日IV摘要风力摆控制系统是一电机驱动测控系统,本系统以STC89C52单片机为控制核心,由轴流风机进行驱动,MPU6050三维角度传感器进行检测,应用PID控制算法,轴流风机调速使摆臂在一定角度范围内做自由摆及圆周运动,同时可以通过显示模块显示风力摆所处状态的各种参数。本系统结构简洁分明,达到了赛题所要求的基本功能。关键词:风力摆;STC89C52;轴流风机;PID;IV目录一、系统方案论证与选择11.系统方案12.方案比较与论证1(1)控制模块的选择与论证1(2)电机驱动

2、模块的论证与选择1(3)角度检测模块的论证与选择1(4)显示方案的论证与选择2二、系统理论分析与计算21.机械结构的设计22.风力摆状态的检测与计算23.风力摆运动状态的分析34.驱动与控制算法3(1)电机驱动3(2)控制算法3三、电路及程序设计41.电路设计4(1)风机驱动电路设计4(2)显示模块52.程序设计5四、测试结果与分析61.测试仪器62.测试方案与结果6(1)风力摆做自由摆动的测试6(2)风力摆做幅度可控摆动的测试7(3)静止状态恢复测试73.测试结果分析7五、总结7参考文献9附录A主要元器件清单10IV附录B电路原理图11附录C

3、源程序12IV一、系统方案论证与选择1.系统方案本系统主要由单片机控制模块、电机驱动模块、角度检测模块、电源模块组成,键盘模块,显示模块组成。2.方案比较与论证(1)控制模块的选择与论证方案一:采用MSP430单片机MSP430系列单片机采用精简指令集结构,具有丰富的寻址方式,以及强大的处理能力并且具有超低的功耗。在运算速度方面,能在8MHz晶体的驱动下,实现125ns的指令周期。但是所占的指令空间较大,资料也比较少。方案二:采用STC89C51单片机STC89C51单片机算术运算功能强,软件编程灵活、自由度大,可用软件编程实现各种算法和逻辑控

4、制。由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点,各个领域应用广泛。并且由于芯片引脚少,在硬件很容易实现。综合上述两种方案,方案二较为简单,可以满足设计要求。(2)电机驱动模块的论证与选择方案一:采用自搭接的H桥电路选用大功率达林顿管或场效应管自制H桥电路,电路原理简单,具有高效,低功率等特点,但是性能不够稳定,电路调试复杂方案二:采用L298N电机驱动模块L298N是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动。最高工作电压可达46v,内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器,采用标准逻辑电平信号控制。电子开关的速度很快,稳定性也极强。综合

5、考虑,我们选择方案二。(3)角度检测模块的论证与选择方案一:采用MPU6050芯片MPU6050集成了3轴MEMS陀螺仪,3轴MEMS加速度计,以及一个可扩展的数字运动处理器DMP,可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器。并且容易上手。方案二:采用WDS35D芯片WDS35D传感器其测量范围为0°~360°,输出电压范围与输入电压有关,输出精度为1mv,测量精度为0.1度,线性度好,长期稳定行好,灵敏度高,可实现对角位移21的精确测量。结合我们自身综合考虑,我们选择方案一。(4)显示方案的论证与选择方案一:采用LED数码管显示LED显示具有硬

6、件电路结构简单、调试方便、软件容易实现等优点,但是数码管只能显示简单的数字,显示信息量少,不能够满足此本设计的要求。方案二:采用1602字符液晶LCD液晶显示具有功耗低、显示内容丰富、清晰、且显示信息量大等优点而得到广泛应用。综合以上两种方案选择,本设计选择方案二。二、系统理论分析与计算1.机械结构的设计风力摆支架采用木条自行搭建,整体高100cm,臂杆长50cm,摆杆采用长65cm的碳维纤管,并通过万向节固定在臂杆上一端。摆杆下端悬挂二个直流风机,并在其下端安装一个向下的激光笔。碳维纤管具有强度高,质量轻,低密度等优点,广泛应用于航模,转轴等

7、机械设备。符合本设计的要求。风力摆整体结构如图2.1所示。摆杆臂杆轴流风机图2.1风力摆结构示意图2.风力摆状态的检测与计算采用高精度的角度传感器MPU6050不断采集风力摆姿态角数据。MPU6050集成了213轴MEMS陀螺仪,3轴MEMS加速器,以及一个可扩展的数字运动处理器DMP。MPU6050和所有设备寄存器之间的通信采用400KHz的I2C接口。实现高速通信。内置的可编程卡尔曼滤波器,采用最优化自回归数据处理算法精确测量风力摆当前姿态角。MPU6050对陀螺仪和加速计分别用了三个16位的ADC,将其测量的模拟量转化为可输出的数字量,通

8、过DMP处理器读取测量数据然后通过串口输出。3.风力摆运动状态的分析风力摆采用4个36W的直流风机为动力驱动系统,角度检测模块采集风力摆姿态角。然后将

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