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一、任务与要求: - 1 -
1.任务 - 1 -
2.要求: - 1 -
二、系统框图及方案论证: - 3 -
1.系统框图: - 3 -
2.机械结构论证: - 3 -
3.传感器选取: - 5 -
4.处理器选择: - 6 -
5.风机驱动选择: - 6 -
三、单元模块设计: - 7 -
1.硬件电路设计: - 7 -
2.软件流程设计: - 8 -
3.PID算法介绍 - 9 -
四、测试结果与分析: - 10 -
1.测试仪器 - 10 -
2.测试结果 - 10 -
3.调试分析 - 10 -
五、设计总结: - 11 -
六、参考文献: - 12 -
一、任务与要求:
1.任务:
一长约60cm~70cm的细管上端用万向节固定在支架上,下方悬挂一组(2~4只)直流风机,构成一风力摆,如图1-1所示。风力摆上安装一向下的激光笔,静止时,激光笔的下端距地面不超过20cm。设计一测控系统,控制驱动各风机使风力摆按照一定规律运动,激光笔在地面画出要求的轨迹。
图1—1 风力摆结构示意图
2.要求:
(1)从静止开始,15s内控制风力摆,使激光笔稳定地在地面画出一条长度不短于50cm的直线段,其线性度偏差不大于±2.5cm,并且具有较好的重复性;
(2)从静止开始,15s内完成幅度可控的摆动,画出长度在30cm~60cm间可设置,长度偏差不大于±2.5cm的直线段,并且具有较好的重复性;
(3)可设定摆动方向,风力摆从静止开始,15s内按照设置的方向(角度)摆动,画出不短于20cm的直线段;
(4)将风力摆拉起一定角度(30°~45°)放开,5s内使风力摆制动达到静止状态。
(5)以风力摆静止时激光笔的光点为圆心,驱动风力摆用激光笔在地面画圆,30s内需重复3次;圆半径可在15~35cm范围内设置,激光笔画出的轨迹应落在指定半径±2.5cm的圆环内;
(6)在发挥部分(1)后继续作圆周运动,在距离风力摆1~2距离内用一台50~60W台扇在水平方向吹向风力摆,台扇吹5s后停止,风力摆能够在5s内恢复发挥部分(1)规定的圆周运动,激光笔画出符合要求的轨迹;
二、系统框图及方案论证:
1.系统框图:
2.机械结构论证:
方案一:两个轴流风机,如图2-1所示,垂直摆放,改变两个风机的转速就能实现在空间内的摆动,但整个系统的只能受到两个方向垂直的力的作用,在力的反方向只能靠惯性运动,就不能很准确地按照预定的方式在整个平面内摆动。
图2—1 两个风机风向示意图
方案二:三个轴流风机,如图2-2所示,出风口成120°向外吹风,此时可以通过调节三个方向的风机转速(即每个风机对系统力的大小)从而改变合力的方向,实现在整个平面内摆动。但合力的角度计算较为复杂,不易实现。
图2—2 三个风机风向示意图
方案三:四个轴流风机,如图2-3所示,出风口成90°向外摆放吹风,此时可以通过调节四个方向的风机转速,按照预定的方式在整个平面内摆动。该方案合力计算容易实现,同时,风机增多会导致整个系统重量增加,对机械要求较高。
图2—3 四个风机风向示意图
经过不断地尝试与比较,发现方案一画直线完全符合要求,但在画圆时由于力的不对称的结构,所画图形类似椭圆;方案二由于时间紧张没有测试;方案三虽然增加了系统的总质量,但机械设计的效果良好,最终选择方案三。
3.传感器选取:
方案一:在风机的位置安装一个MPU6050六轴加速度角速度传感器模块,采集角加速度与加速度,对其进行滤波融合、积分等得到当前角度与速度。从而控制风力摆的姿态。陀螺仪与加速计数据处理较为复杂,且这个模块受环境因素影响较大。
方案二:选用两个精密电位器,轴互相垂直固定,通过两路A/D采集实时计算出当前角度与角速度,从而控制风力摆按照预订方式运行。此方案电位器安装困难,机械结构不易设计,精密电位器灵敏度高,数据处理计算较为简单。
方案一受坏境影响大,数据需要滤波才能应用,但滤波算法复杂。综合比较我们选择方案二。
4.处理器选择:
方案一:使用51系列单片机作为主控单片机核心。51系列单片机是入门级单片机,编程简单,功能强大,且有DIP封装易于手工焊接。缺点是片内资源有限,无法在线调试。
方案二:使用STM32系列单片机。STM32是意法半导体公司生产的一款基于ARM Cortex-M3内核的微处理器,这款单片机处理能力强,具有运行速度快,功耗低,片内资源丰富等特点,具有可在线调试编程的优点。
考虑到本次电子竞赛中要求极高的实时性与处理速度,而且还需要长时间调试各项系统参数,所以我们选取了处理能力较强的STM32,即方案二。
5.风机驱动选择:
方案一
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