风力摆控制系统（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】
日期： 2015 年 8 月 15 日
摘要
本文论述了风力摆控制系统的设计思路和制作过程。系统采用MC9S12XS128单片机作为主控制器。控制器通过拨码开关，电位器等来获取设定的模式、角度等设定信息。从MPU6050传感器采集到的加速度计和陀螺仪信号，经过角度融合计算得到风力摆的当前位置及当前角度，与设定值进行比较，经PID算法计算，产生控制直流风机转速的PWM信号，驱动直流风机，使风力摆带动激光笔画出指定轨迹，同时用12864液晶显示系统的实时运行状态。系统可实现基本要求，并且基本实现发挥部分。
关键词：风力摆；角度控制；PID控制；PWM
目录
摘要 I
目录 II
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1
1
1
1
1
2
支架结构的比较与选择 2
2
2系统硬件设计与程序软件设计 2
2
MC9S12XS128主控芯片电路 2
供电电路 3
MPU6050电路 3
蓝牙电路设计 3
3
程序结构设计 3
3
程序设计 4
3系统测试 4
4
4
4
4
测试结果及分析 5
5
6
4结束语 6
【参考文献】 7
附录一 8
附录二 11
见附录一：附图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，运行速度相对较慢。
方案二：采用MSP430G2553单片机作为系统控制器。此款单片机低功耗，但引脚太少，输出PWM路数不够。
方案三：采用飞思卡尔MC9S12XS128单片机作为系统控制器。此款单片机的AD模块精度高，PWM输出方便，满足题目中对直流风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，选择方案三中飞思卡尔MC9S12XS128作为系统控制器。
方案一：采用开环控制，不使用反馈。分析大量的实验数据，计算得到角度，输出PWM控制风机转速，该方案为无反馈环节的开环控制系统，风力摆的摆动方向有着极大地不确定干扰因素，很难达到题目设计的要求。
方案二：采用闭环控制，使用MV3581传感器测定角度。该传感器输出模拟量，需要单片机AD采集计算数据，存在温漂，效率较低，操作较复杂。
方案三：采用闭环控制，使用MPU6050传感器测定角度。该传感器输出数字量单片机可直接处理，且采集周期短，效率高，精度较好，操作较方便。
综合比较以上方案，选择方案三中的MPU6050传感器来测定角度。
方案一：使用两个同型号的直流风机。这种情况下，由于风力摆的质量较轻，风机所产生的力量可使风力摆摆动画出直线。但是此种设计达不到题目发挥部分的画圆的要求。
方案二：使用三个同型号的直流风机。呈正三角形分布。该种设计从理论上可以向平面圆的任意一个方向摆动，但是要完成各个设计要求，算法十分复杂。
方案三：使用四个同型号的直流风机。呈正方形分布，用四路的PWM来控制。在风力摆做划直线动作的时候一个直流风机动作，其相邻的两个风机来掌握直线的偏差。做画圆的动作的时候四个风机交替用力，力量大小此消彼长，可以完成画圆的动作，基本能达到题目要求，并且编程的难度不是太大。
综合比较以上方案，选择方案三使用四个同型号的直流风机。
方案一：选用L298。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：选用BTS7960。BTS7960是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯片，驱动电流可达43A，它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC。但驱动四个电流较大的直流风机也存在发热问题，且模块电路输出不够稳定。
方案三：选用无刷电子调速器。无刷电子调速器是通过电调的6路开关管在将输入的直流电不断的在切换电流方向，使电机悬转。可输出较大电流，可调的电压范围为 0----输入电压（电池电压），控制输出电压。完全满足使用四个同型号的直流风机的要求。
综合比较以上方案，我们选择方案三中的无刷电子调速器。
支架结构的比较与选择
方案一：采用金字塔型结构，见附录附图1-2支架结构。三脚着地，但是使用时应保证地面具有较高的平整度，否则将会发生摇晃的现象，而且达不到要求，降低整个设备的精度。
方案二：采用题目推荐的