风力摆控制系统设计.doc

2015年全国大学生电子设计竞赛
风力摆控制系统(B题)

2015年8月15日
风力摆控制系统(B题)
【本科组】
摘要
针对题目各项要求,采用软硬件结合方法设计风力摆控制系统。以STM32单片机为主控制芯片、MPU6050传感器检测摆杆姿态角、利用PID算法调节电机驱动芯片输出合适的PWM波形驱动风机,通过OLED显示屏显示相关参数,按键输入数据等;机械结构满足设计要求,风力摆能够实现画直线、任意角度悬停、画圆等动作,在受外界干扰后能够自动恢复预定姿态。具有良好的人机交互界面,各参数可动态调整,基本实现风力摆系统的自动控制。
关键词:风力摆、单片机、姿态角、PID算法
目录
一、系统方案 1
1、系统控制方案的论证与选择 1
2、控制芯片的论证与选择 1
3、电源方案的论证与选择 2
4、控制算法的选择 2
二、系统理论分析与计算 3
1、PID算法的分析 3
2、风力摆的角度、加速度计算 4
3、电机转速与风力摆控制分析 4
三、电路与程序设计 4
1、电路的设计 4
(1)系统总体框图 4
(2)电机驱动电路图 5
(3)电源 5
2、程序的设计 5
(1)程序功能描述与设计思路 5
(2)程序流程图 6
四、测试方案与测试结果 6
1、测试方案 6
(1)硬件测试 6
(2) 硬件软件联和调试 6
2、测试条件与仪器 7
3、测试结果及分析 7
(1)画直固定直线测试 7
(2) 画不同长度直线测试,如表2所示。 7
(3)画圆测试 7
(4)测试分析与结论 8
五、结论与心得 8
六、参考文献 8
附录1:电路原理图 9
附录2:源程序 10
系统方案
本系统主要有STM32F103最小系统、电机驱动模块、陀螺仪加速度计传感器MPU6050、轴流风机、显示屏、机械结构、电源模块构成。通过传感器实时的检测角度,通过PID算法根据角度是单片机输出合适的PWM波形,驱动电机驱动芯片带动轴流风机实现轴流风机转速的变化;轴流风机的注定在摆动轴的底部,有多个风机实现、风力摆的画直线、任意角度控制、围绕中心轴画圆等,在OLED显示屏屏上实现数据参数的实时显示,参数的实时调整。如图1-1所示。下面分别论证这几个模块的选择。
图1-1 系统方案
1、系统控制方案的论证与选择
方案一:使用两个轴流风机,简单的两个的轴流风机实现画直线、画圆,两个直流风机的安装要保证能够画圆、所以直流风机的安装不能是同一个轴的方向,要保证有一定的角度,两个风机的转速一个保证偏离固定的角度、另一个保证偏离固定的横滚角度,这种方案得优点是使用的风机个数较少,同时底部风机的质量不太大,只要保证风机的驱动能力,就能够实现基本的要求;但是这种方式对控制算法的要求较高,算法较为复杂,同时也不能保证较好的稳定性,对于要求较复杂的控制,不一定能够实现相应的控制。
方案二:使用三个直流风机,三个直流风机实现激光笔的画直线、画圆,三个风机轴向夹角互为120度,在画直线时两个轴流风机同时工作,提供足够的风力;在画圆时,开启第三个风机工作,实现自动画圆。这种方案控制方式同样的较为复杂,使用了三个风机使得系统的质量加重。但是比较两个风机,系统的稳定性较高。
综合以上两种方案,选择方案二。
2、控制芯片的论证与选择
方案一:控制芯片在满足系统要求的前提下保证处理效率和高的可靠性、功耗等。使用51系列单片机作为控制芯片,有着较高的可靠性,能够保证驱动大功率电机时单片机不易损坏,但是51单片机处理的速度较慢,内部可用的资源太少,需要很多的程序来模拟相应的控制资源,比较麻烦。
方案二:使用STM32F103作为控制芯片,STM32F103单片机属于Cortex-M3系列的MCU,内部的资源较为的丰富,有多个定时器、AD模块等,完全满足系统的要求。同时STM32的可靠性较高,外部晶振经分频可达72MHZ,有着较高的数据处理能力,同时芯片的功耗较低,完全满足系统对实时性,可靠性、处理速率的要求。
综合以上两种方案,选择方案二。
3、电源方案的论证与选择
方案一:电源的稳定是保证整个系统正常工作的前提,系统的电源包括控制电路的电源,,12V。选用大功率航模锂电池作为系统的整体电源,12V经过稳压芯片的稳压直接输出符合要求的电源。将锂电池的电源端口直接接在电机驱动的功耗电压输入端,供给电机。这种方式电源设计简单,体积小,易于实现;但是这种方式电源直接接在电机上,一旦电源的电压有所下降电机的转速会在统一参数下发生莫名其妙的变化,会对参数产生重大的影响,不能方便的调试参数。
方案二:采用变压、整流滤波、稳压的方式,输出相应的电压。220V交流市电经过变压器得到合