风力摆控制系统13（B题）.doc

2015年全国大学生电子设计竞赛(瑞萨杯)
风力摆控制系统(B题)
【本科组】
小组成员: 何晚军(**********)
林志诚(**********)
贾宁(**********)
学校: 济南大学
学院(中心): 自动化与电气工程学院
专业: 电气工程及其自动化
赛前指导老师: 赵钦君王新江
编号: 002B12

摘要:本文论述了风力摆控制系统的设计思路和过程。本系统采用 STM32F103单片机作为系统的控制器,控制器通过总线方式传输角度传感器MPU-6050信号、采用LCD12864显示采集到的角度值等信息,经过传感器数据融合单片机处理后得到风力摆所摆动角度值,运用PID算法控制,PWM电机控制,驱动和控制轴流风机的运动,实现风力摆做自由摆运动、圆周运动等。风力摆上安装一向下的激光笔,控制驱动各风机使风力摆按照一定规律运动,激光笔在地面画出相应的轨迹。
关键词:风力摆;STM32F103;角度传感器MPU-6050;PID算法。
目录
目录 II
一、方案设计与论证 1
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驱动模块的比较与选择 2
系统最终方案选择 2
二、理论分析与计算 2
风力摆运动控制方案 2
摆杆状态检测 3
运动控制算法 3
三、硬件电路与软件程序设计 4
主要电路设计 4
STM32最小控制系统及整体电路 4
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显示电路的设计 4
程序结构设计 5
程序设计 5
四、测试方案与测试结果 6
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7
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五、结束语 8
参考文献 8
附录 9
附录1:电路原理图 9
附录2:部分程序 10
一、方案设计与论证

图1-1 系统结构框图


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,无片内集成AD,外接AD电路复杂,不便于有效控制。其运行速度相对其他单片机较慢。
方案二:利用凌阳单片机的定时器输出PWM,通过对PWM占空比的调节达到调速的目的。这种方案PWM调制程序简单,控制器反应速度快,但凌阳定时器自带的PWM的占空比步长为1/16,调节转速时精确度不高,调速不平滑,延时占用单片机资源多,在调用该函数时影响其他函数使用,并且用该方法输出的PWM控制风扇不稳定。
方案三:采用STM32F103单片机作为系统控制器。此款单片机支持总线、传输效率高,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STM32F103作为系统的控制器。

方案一:ENC陀螺仪是角速度传感器,能输出一个和角速度成正比的模拟电压信号,响应速度快,驱动电压和功耗较低。但是容易发生温漂,噪声大,稳定性较差。
方案二:电容式角位移传感器的结构简单,适应性强,但寄生电容对电路影响大,输出阻抗高,价格较贵。
方案三:MPU-6050是三维角度传感器,它集成了3轴陀螺仪,3轴加速度计,以及一个可扩展的数字运动处理器DMP,可输出数字量,稳定性极高,测量精度高。
综合比较以上方案,我们选择方案三中传感器的作为系统的角度传感器。
驱动模块的比较与选择
方案一:L298是专用驱动集成电路,属于H桥集成电路,内部包含4通道逻辑驱动电路。但其输出电流不能超过4A,比较容易发热,有较大的局限性。
方案二:电子调速器,它根据控制信号调节电动机的转速,操作方便,具有过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能。具有极好的驱动能力,能够很好的满足题目的要求。
方案三:采用互补硅功率达林顿管实现电机的驱动,采用该方法电路连接比较简单,稳定性好,成本低廉,但不足之处是由于使用分立元件,安装和调试麻烦。
综合比较以上方案,我们选择方案二中电子调速器的作为系统的驱动模块。
系统最终方案选择
经过上述的分析与论证,决定了系统各模块采用的最终方案如下:
主控制器采用STM32F103主控芯片;
角度传感器采用MPU-6050三维角度传感器;
驱动轴流风机采用电子调速器调节;
二、理论分析与计算
风力摆运动控制方案
利用角度传感器来测