电子设计大赛风力摆控制系统论文[B]题库.doc

2015年全国大学生电子设计竞赛 （题） 2015年8月日  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、的论证与选择 综合以上种方案，选择方案。 2、的论证与选择 方案一：方案二：综合以上种方案，选择方案。 3、的论证与选择 方案一：方案二：综合考虑采用。 1、的分析 图2-1 PID模型 PID控制器是一种线性控制器，其控制算法的模拟表达式是：如图2-2所示。 图2-2 PID公式 在本PID调节系统中，比例调节风力摆的转速大小，时转速合适的根据角度来输出，能够使风力摆较好较好较快的保持在某一个固定的角度，它具有反应快、无滞后的特点，能及时克服扰动干扰，使被控参数稳定在给定值附近。但比例控制不能消除稳态误差，当KP过大时会应引起系统不稳定。积分控制的作用是，只要系统存在偏差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除偏差，因此，只要有足够的时间，积分作用将能完全消除误差，但积分调节动作缓慢，其调节作用总是滞后于偏差信号的变化。而且，当积分作用太强时，会使系统超调加大，甚至使系统出现震荡。微分控制可以减小超调量，使系统稳定性提高。它能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得不很大之前，在系统中引入一个有效超前修正信号，提高风力摆系统的稳定性，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。 2、的计算 3、 如何实现画直线、画圆等复杂的动作的呢？再画直线时要求风力摆有较好的线性度，这就要求在安装风机是尽可能的角度准确，在风机合理的合理的作用力产生的合力，从而推动风机作画直线的运动，最开始可以设置一个合理的角度，在垂直状态下，开启一个风机，在风机摆动到对应角度后，立即停止风机的运转，风机靠重力左自由下降的落体运动，同时开启另一侧的电机，使其反方向的吹动，同样摆动到对应角度后，风机停转，这样就基本上实现风力摆的类似自由摆的运动。 三、电路与程序设计 1、电路的设计 （1）系统总体框图 系统总体框图如图所示 图 （）图 2.驱动芯片电路图，如图3-3所示。 图 （）电源 电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V或者12V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。2、程序的设计 （1）程序功能描述与设计思路 1、程序功能描述2、程序设计思路 （2）程序流程图 1、主程序流程图 图3-4 软件流程图 四、测试方案与测试结果 1、测试方案 （1）硬件测试 硬件软件联 2、测试