风力摆论文 风力摆控制系统（B题）

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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）【本科组】2015年8月15日摘要本风力摆系统由继电器、单片机控制模块、角速度传感器模块、电源模块、风力摆装置五部分组成。本团队风力摆系统以STC单片机为控制核心，配合合适的开关控制系统，通过编程实现对电机使能端或PWM信号输出的调节，控制轴流风机的转速；本系统使用角速度传感器模块和LCD液晶显示模块实时显示系统运动状态；此外，本系统拟采用PID算法对运动方向和运动速度进行修正，实现系统控制和误差修正。经测试，在题目指定时间内下，系统通过STC12C5A6

2、0S2单片机调节电磁继电器的通断时间，配合20V直流电压源,能稳定的在地面画出一条大于50cm的直线段，且线性偏差在2.48左右；该系统可以从静止开始，画出长度在30至50cm不可设置的直线，但长度偏差略大于2.5cm；同时，本系统使用89C52芯片和mpu6050传感器实现三轴加速度与角速度液晶屏显示。关键词：风力摆，单片机，继电器，轴流风机，角速度传感器目录1系统方案11.1风力摆制作的论证与选择11.3控制系统的论证与选择12系统设计12．1总体设计12.2电路的设计22.2.1系统总体框图22.2.2

3、单片机控制模块电路原理图22.2.3传感器模块电路原理图32.2.4电机驱动模块32.2.5电源42.3程序的设计42.3.1程序功能描述与设计思路42.3.2程序流程图43测试方案与测试结果53.1测试方案53.2测试条件与仪器53.3测试结果及分析53.3.1测试结果(部分数据)53.3.2测试分析与结论6附录1：电路原理图7附录2：源程序8风力摆控制系统（B题）【本科组】1系统方案本风力摆控制系统主要包括单片机控制模块、电源模块、角度传感器模块、风力摆模块、液晶显示模块以及风力摆装置。风力摆支架通过万向

4、节连接碳杆，流风机与碳素纤维杆尾端相连。位于碳杆下端的角度传感器模块采集系统的姿态角。单片机控制液晶显示加速度和角加速度数据，并处理数据后通过继电器或电压驱动模块控制风机转速，实现对风力摆的控制。1.1风力摆制作的论证与选择方案一：采用2只直流风机作为动力系统。流风机并排反向放置，通过细管或棒（如碳素纤维管、PVC管等）通过万向节固定在一支架上。此方案风力摆负载轻，系统较稳定，控制较方便。方案二：采用粗单股导线（减少自旋）将风力摆吊挂在支架上。导线减小了自旋干扰，但容易形变，控制较复杂。综合以上两种方案，选择

5、方案一。1.2角速度传感器的论证与选择方案一：采用基于ADXL335芯片的GY-61陀螺仪模块。GY-61是三维角度传感器，可采集和处理姿态角数据，但其输出模拟信号，需要用具有A/D转换功能的控制芯片，程序处理繁琐。方案二：采用MPU6050三轴传感器模块。该模块输出为数字信号，程序处理较简单，可以直接连接上位机进行加速度和角加速度监测。综合以上两种方案，选择方案二。1.3控制系统的论证与选择方案一：采用STC12C5A60S作为控制芯片，通过继电器控制流风机的高低电平。STC12C5A60S2系列单片机具有

6、脉宽调节模式，可以通过程序设定改变PWM输出，通过控制开关调节直流风机的高低转速。该方案控制简便，程序设置简单，处理速度较快，同时避免了驱动模块的压降损耗，可用于风力摆系统走直线路径。方案二：采用89C52芯片和电机驱动模块实现系统控制。L298N电机驱动模块启动性能好，启动转矩大，可以通过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。程序较复杂，可实现较精确转圈和急停等动作。故实现走直线和急停的要求选择方案一，实现可设置长度的直线路径及静止点转圈需选择方案二。202系统设计2．1

7、总体设计将两个直流轴流风机固定在平板上（轴流风机规格：24V，1.68A），用制作好的直杆将平板固定好，并用万向节将连接平板的直杆固定到支架上，用20V的电源提供电源信号，传到控制模块控制来控制轴流风机的转动，用继电器使轴流风机的交替转动，通过传感器测量转动角度，并用激光笔画出规定路径及距离2.2电路的设计2.2.1系统总体框图图2.2.1系统总体框图2.2.2单片机控制模块电路原理图STC12C5A60S2单片机不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的具有大容量程序存储器且是FLASH工艺的，内部就自

8、带高达60K20FLASHROM,这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。而且STC系列单片机支持串口程序烧写。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。2.2.3传感器模块电路原理图MPU-6050是9轴运动处理传感器。它集成了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。MPU-6050对陀