2015电子设计大赛—B题风力摆器件论证与选择

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1、器件论证与选择单片机比较方案一：采用传统的51系列单片机。传统的51单片机为8位机，价格便宜，控制简单，但是运算速度慢，片内资源少，存储容量小，难以存储大体积的程序和实现快速精准的反应控制。并且受时钟限制，计时精度不高，外围电路也增加了系统的不可靠性。方案二：采用以增强型80C51内核的STC系列单片机STC12C5A60S2，其片内集成了60KB程序Flash，2通道PWM、16位定时器等资源，操作也较为简单，具有在系统调试功能（ISD），开发环境非常容易搭建。但实际使用了三维角度传感器等对速度要求较高的外设，因此无法很好地符合设计的需要。方案三：采用以ARMCortex-M3为内核的S

2、TM32F1系列控制芯片，STM32系列芯片时钟频率高达72MHz，具有64K字节SRAM，512K字节的FLASH容量，具有极强的处理计算能力。较为适合需要快速反应的XX系统。通过比较，我们选择方案三，采用STM32F3系列单片机STM32F107作为控制器电机速度控制方案一：采用D/A变换电路将数字量转换成控制电机电压的模拟量。再利用电平的高低达到调速的目的。原理框图如图1所示。本方案达到了利用CPU输出的数字量精确控制模拟量的目的。但原电路比较复杂，成本较高。方案二：采用脉宽调制方式（PWM）从I/O口输出不同占空比的脉冲，经滤波后获得不同高低电平控制电机。本方案可以达到对速度的控制

3、要求，且控制简单易实现。通过比较明显方案二最单洁清晰、容易实现、速度快、精度高。从系统指标要求来看，对速度要求较高，低速与高速之间差别较大，且准确度要求高，各个速度之间的切换也要求简单、迅速。采用方案二可利用单片机运行速度快的特点进行速度的快速调整，且方案二速度准确度高、级数多容易达到系统指标要求，所以我们选用方案二作为控制部分具体实施的方案。电机驱动方案一：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。方案二采用芯片L298驱动电机，用单片机控制L298的输入使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动

4、机转速。电子开关的速度很快，稳定性也极强。但驱动电流小，无法驱动更大功率的电机，限制了其应用范围。综合以上分析，电机驱动芯片L298N电路设计简单、抗干扰能力强、可靠性好，所以选择方案二角度传感器选择方案一、采用模拟三轴加速度计MMA7260,MMA7260QT是检测物件运动和方向的传感器，它根据物件运动和方向改变输出信号的电压值。通过TCL2543（12位开关电容型逐次模数转换器）A/D转换器读取输出信号，检测其运动和方向。此外精确度高、低功耗、成本低，控制系统电路更加简洁，可靠性更高。方案二、采用数字的加速计，通过数字加速计可以直接将检测信号给控制器，精度高的价格较贵。?方案一：采用倾

5、角传感器SCA100T-D02。SCA100T-D02是一种静态加速度传感器，当加速度传感器静止时（也就是侧面和垂直方向没有加速度），作用在它上面的重力加速度。重力（垂直）和加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角。它测量的角度为X轴和Y轴正负九十度，能够满足题目的要求。方案二：采用水平角度传感器AS5040。这款芯片是一种非接触、高分辨力编码、在零度到三百六十度范围内进行角度测量的传感器芯片。AS5040是一个完整的偏上系统解决方案，它将霍尔元件、模拟前端和数值信号处理器、接口检录集成在单个芯片中。它提供磁钢和增量信号和绝对角度位置，可以放在芯片的上面或下面。经过讨论，虽然这AS5040款

6、传感器能够满足角度的要求，但是实际不好安装到单摆上，安装不好误差非常大，所以我们小组没有采用此芯片。所以我们采用用SCA100T-D02。方案三：MPU-6050为整合性6轴运动处理组件（三轴陀螺仪+三轴加速度），其角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec(dps)，可准确追踪快速与慢速动作。具有精度高，算法的选择方案一、采用模糊控制算法,?模糊控制有许多良好的特性,它不需要事先知道对象的数学模型,具有系统响应快、超调小、过渡过程时间短等优点，但编程复杂，数据处理量大。方案二、采用PID算法，按比例、积分、微分的函数关系,进行运算,将其运算结果用以输出控制。

7、优点是控制精度高,且算法简单明了。对于本系统的控制已足够精确，节约了单片机的资源和运算时间。综合比较以上两个方案，本系统选择方案二。（2.5算法的选择我们采用PID算法。PID控制是过程控制领域中应用最普遍的控制规律，它是通过改变调节器参数来实现的。首先计算控制量的增量：?ui?ui?ui?1又可写为：?ui?Kp*[eK?eK?1]?Ki*eK?Kd*[eK?2eK?1?eK?2]其中ui为第k次采样时刻的控制信号，e