风力摆控制系统6（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】
2015年8月15日
摘要
本文论述了风力摆系统的工作原理和设计思路。系统采用STM32F103单片机为主要控制系统,用角位移传感器mpu-6050采集到风力摆的摆头的角度及位置,通过I2C总线传输发送到主控系统中,采用lcd12864显示采集到的信息,通过PID进行数据处理,产生相应的PWM信号,发送到相应的直流风机,控制直流风机实现自由摆动,从而画出直线、圆等轨迹。
关键词:STM32F103单片机;角位移传感器mpu-6050;PID算法
目录
摘要 I
目录 II
一、方案设计与论证 1
1
1
1
1
1
二、测控方法分析与论证 2
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2
电机的比较与选择 2
2
三、系统设计与分析 3
3
STM32F103单片机最小系统电路 3
: 4
: 4
4
4
软件程序设计 4
4
4
5
四、测试方案与测试结果 5
5
5
测试结果及分析 5
(数据) 5
6
五、总结 6
参考文献 7
附录一电路原理图 8
附录二程序流程图 9
附录三部分程序 10
附录四元器件清单 11
一、方案设计与论证


方案一:采用STC89C51单片机作为控制器。STC89C51价格低廉,结构简单,且资料丰富;但是51单片机系统资源有限,8位控制器,运算能力有限,无法达到较高的精度,需要外接大量外围电路,增加了系统复杂度,达不到系统要求。
方案二:采用MSP430G2553单片机作为系统控制器。MSP430G2553单片机内部集成精度高,是16位单片机,但其外部接口较少,运算速度相对较慢,达不到要求。
方案三:采用STM32F103单片机作为系统控制器。STM32F103单片机是32位单片机,内部及程度高,拥有大量外部接口,运算速度高,能够满足题中对数据的快速采集和处理。
综合以上三种方案,我们选择方案三中的STM32F103单片机。

方案一:采用编码器根据脉冲数计算出角度,但是编码器体积较大,安装不方便,有突变现象,容易导致计算错误,故不能满足题目要求。
方案二:采用ENC陀螺仪,ENC陀螺仪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,噪声较大,稳定性较差。
方案三:采用MPU-6050三维角度传感器,MPU-6050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,我们选择方案三中的MPU-6050传感器作为系统的角度传感器。

方案一:采用L298驱动,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,不能符合题目的较大电流。
方案二:采用互补硅功率达林顿管驱动,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,反应速度较慢不能题目对轴流风机快速反应的要求。
方案三:采用电子调速器驱动,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,反应灵敏,能够很好的满足题目的要求。
综合以上三种方案,我们选择方案三中的电子调速器驱动。

主控制芯片
STM32F103
按键
MPU-6050三维角度传感器
液晶显示
电子调速器
轴流风机
经过上述的分析和论证,决定了系统各模块采用的最终方案如下:
系统方框图
本装置用MPU-6050三维角度传感器反馈轴流风机的运动轨迹,经过 A/D转换进行数据采样,通过STM32单片机进行数字处理,以实现画直线、画圆的目的。经测试证明,本装置能够很好的完成设计要求,且具有较高的稳定性。
二、测控方法分析与论证

摆杆状态的检测利用的是