风力摆控制系统12（B题）.doc

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:本文论述了风力摆控制系统的设计思想和实践过程。该系统分为电机驱动系统、信息采集和信息处理系统,整个系统是一个控制网络。
本系统采用飞思卡尔MC9S12XS128MAL单片机作为主控制器,通过控制单片机产生PWM控制轴流风机达到特定的转速,进而控制轴流风机的偏移角度,控制器通过模拟IIC端口采集MPU-6050模块发送的信号,经过对数据进行卡尔曼滤波、PID算法等处理,得到摆杆三维摆动角度,通过LED灯、扬声器、液晶显示屏等,实现系统工作状况显示、任务完成报警、风摆位置状态显示等功能。本系统可通过拨码开关分别切换控制模式,实现指定摆动、摆杆画圆等五种功能。通过对系统的测试,结果表明该系统工作稳定、可靠,在规定时间内完成了比赛的基本要求和发挥部分。
关键词:风力摆;飞思卡尔MC9S12XS128单片机;MPU6050陀螺仪;卡尔曼滤波;PID算法。
目录
一、方案设计与论证 1
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驱动模块的比较与选择 2
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二、理论分析与计算 3
摆杆状态检测 3
控制算法 3
三、硬件电路与软件程序设计 4
主要电路设计 4
128最小控制系统及整体电路 4
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程序结构设计 5
四、测试方案与测试结果 5
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五、总结 6
参考文献 7
附录 8
一、方案设计与论证


图1-1 风机受力分析图
控制风力摆做类似自由摆运动,在运动方向至少一个风机提供动力,通过间断给风机供电,利用风机惯性达到更大的摆动幅度,以弥补轴流风机功率小、动力不足无法达到要求角度的缺点。将直流风机看做质点,对直流风机进行受力分析:每个风机质量m,摆杆拉力F,a由牛顿第二定律可得:
竖直方向上:f2-mg/tanθ=ma (1-1)
风机最大风力f2不变,随着风机摆动幅度增大(θ增大),风机水平方向加速度减小。
在水平面上,要使风机做匀速圆周运动,至少需要两个方向相互垂直的力——切向力和向心力,所以至少需要两个风机才能满足需要。

方案一:两个风机,风机以一定角度连接,该方案风机总质量最轻,固定简单,但是控制比较复杂。
方案二:三个风机,三个风机连接质量较重,重心易偏离,控制算法复杂。
方案三:四个风机,四个风机连接简单,重心易掌握,控制算法较简单。
综上所述,要满足题目要求至少需要两个风机共同作用,综合各方面因素,最终我们决定使用方案三。


方案一:采用STC89C52单片机作为控制器。此款单片机价格便宜,但片内集成资源少,抗干扰能力不是很强,软硬件要求较高,未集成AD模块,不便于有效控制。其运行速度相对其他单片机较慢。
方案二:采用MSP430f449单片机作为系统控制器。此款单片机低功耗,但AD模块精度低,I/O无保护,过压过流会立即击穿,工作电压较低,增加电路硬件要求。
方案三:采用飞思卡尔MC9S12XS128MAL单片机作为系统控制器。此款单片机的AD模块为16位、精度高,PWM输出方便,能够满足题目中对电机的控制和数据的处理,以实现对系统精确的调控。
综合比较以上方案,我们选择方案三中的飞思卡尔MC9S12XS128MAL作为系统的控制器。

方案一:电容式角位移传感器,该传感器结构简单,适应性强,但寄生电容对电路影响大,输出阻抗高,价格较高。
方案二:电阻式角位移传感器,此种传感器的结构简单、成本低、适用的温度范围较宽;但是WDD35D系列产品采用硬质铝合金材料制作外壳,重量太大,增加轴流风机的负担,不满足题目的要求。
方案三:MPU-6050模块,该模块重量轻,精度较高,调试较为方便,温漂较小,符合题目要求。
综合比较以上方案,我们选择方案三中MPU-6050模块的作为系统的角度传感器。
驱动模块的比较与选择
方案一:L29