风力摆控制系统（b题）

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II1系统方案设计与论证111系统结构112方案比较与选择1121控制器的比较与选择1122角度测定方案的比较与选择1123直流风机方案的比较与选择1124驱动方案的比较与选择2125支架结构的比较与选择213系统最终方案选择22系统硬件设计与程序软件设计221系统硬件设计2211MC9S12XS128主控芯片电路2212供电电路3213MPU6050电路3214蓝牙电路设计322程序软件设计3221程序结构设计3222控制算法3223程序设计43系统测试431测试仪器432测试及控制方案4321测试过程4322控制过程433测试结果及分析5331测试结果数据5332测试分析与结论64结束语6【参考文献】7附录一8附录二111系统方案设计与论证11系统结构见附录一附图11系统结构框图。12方案比较与选择121控制器的比较与选择方案一采用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。122角度测定方案的比较与选择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。123直流风机方案的比较与选择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。124驱动方案的比较与选择方案一选用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。125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12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“”型结构。此种结构的制作简单，结构稳定，使用的时候不会发生剧烈的摇晃现象。综合比较以上方案，选择方案二采用“”型结构。13系统最终方案选择经过上述的分析与论证，决定了系统各模块采用的最终方案如下（1）飞思卡尔MC9S12XS128作为系统的控制器。（2）MPU6050传感器来测定角度进行反馈。（3）四个同型号的直流风机制成风力摆动力部分。（4）无刷电子调速器用于四个同型号的直流风机驱动。（5）金字塔型结构作为框架结构更加稳定。2系统硬件设计与程序软件设计21系统硬件设计211MC9S12XS128主控芯片电路见附录一附图13MC9S12XS128最小系统图。212供电电路供电采用LM2596芯片将电源电压转换成5V电压给主控芯片等供电，电压稳定可调。见附录一附图14LM2596稳压电路213MPU6050电路MPU6050电路,采集风力摆摆动角度反馈给控制器进行控制调整，以达到并保持设定角度。见附录一附图15MPU6050传感器电路。214蓝牙电路设计蓝牙模块电路见附录一附图16，蓝牙电路应用蓝牙模块与电脑串口配合，实现调试时参数的监控,参数波形见附录一附图17虚拟示波器显示X轴波形。22程序软件设计221程序结构设计见附录一附图18程序设计结构图。222控制算法PID控制算法中微分作用是控制器的输出与偏差变化的速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著效果，在比例基础上加入微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差，因此PID控制算法适用于控制质量要求很高的控制系统。改变加到直流电机电枢两端的直流驱动电压，即可改变电机的转速。使用PWM（脉宽调制）方法，可以方便地改变加给电机电枢的平均电压的大小。改变控制信号的占空比就可以改变电机的转速。具体分析如下ERRORSET_ANGLEANGGLE_ONE（1）其中ERROR为摆杆的角度差，SET_ANGLE对应摆杆初始时的角度值，ANGGLE_ONE对应摆杆当前的角度值。UPKPERROR（2）KP为比例调节系数，通过公式可以看出增大KP可知角度差的作用加强，可加强系统的强硬速度，使摆杆的迅速达到设定的状态。UDKD（ANGLEONEANGGLE_ONE_OLD）（3）ANGGLE_ONE_OLD对应摆杆上一次采集到的角度值。KD为微分调节系数，ANGLEONEANGGLE_ONE_OLD对应角度的变化值，因此可知，调节KD可以改善系统的动态性能。PWMUPUD（4）把PWM的值给电机即可改变电机的转速，使摆杆的角度改变。最终实现摆杆达到设定角度，并完成动作。223程序设计见附录二部分程序。3系统测试31测试仪器（1）三位半数字万用表FLUKE15B。（2）示波器RIGOLDS1102E。（3）数字风速仪TM816。（4）电子称。（5）量角器。（6）秒表。32测试及控制方案321测试过程本作品的测试中，长度均以厘米（CM）为单位，角度以10为最小单位，通过MPU6050传感器采集角度数据反馈给控制器，控制器进行处理计算，根据要求控制调整风机转速。如下图的测试纸片进行角度测量。0102030405060708090100110120130140150160170180190200210220230240250260270280290300310320330340350图31方向角度示意图32风力摆结构示意图322控制过程模式一设置摆杆自然下垂的为静止状态，驱动风机带动万向节作定向转动使摆杆摆动，可在15S内控制风力摆做类似自由摆运动，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25CM，并且具有较好的重复性。模式二从静止状态开始，15S内完成幅度可控的摆动，画出长度在3060CM间可设置，长度偏差不大于25CM的直线段，并且具有较好的重复性。模式三从静止状态开始，可设定摆动方向，通过实时反馈角度值以精确的算法控制直流风机转速，使风力摆15S内按照设置的方向（角度）摆动，画出不短于20CM的直线段。模式四将风力摆拉起一定角度（3045）放开，5S内使风力摆制动达到静止状态。主控制器根据角位移传感器反馈的数据通过PID整定参数，控制直流风机转速，使系统快速到达静止状态。模式五在模式四后继续作圆周运动，在距离风力摆12M距离内用一台5060W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；模式六从静止状态开始，通过控制使激光笔画出除圆外的其他图形。33测试结果及分析331测试结果数据表31画出一条长度不短于50CM的直线段测试次数所需摆动次数（次）进行运动的时间（S）168232790636811457565578866837表32风力摆画出在3060CM间可设置的长度测试长度实际长度进行运动的时间（S）3032353323534504534041605864546157165051608716060351033表33将风力摆拉起一定角度并达到静止状态测试次数角度（）时间（S）130330233324336416439452542438645466表34风力摆用激光笔画圆30S内重复3次测试次数圆半径（R）完成时间（S）115227822023653252345430261353024336352659表35水平方向吹向风力摆5S内恢复圆周运动测试次数恢复时间（S）129723653284419752586245332测试分析与结论由测试结果分析，系统较好的完成了基本部分和发挥部分。并且系统外加入了蓝牙、液晶显示和拨码开关，方便调试，具有良好的人机交互界面。4结束语在完成系统设计的过程中，在硬件结构的搭建和软件程序设计上我们做了很多实验，查阅了大量相关资料，包括查阅相关书籍和网上的资料，获得了一些相关信息。我们学到了很多，专业知识有了很大的提高。通过这次的参赛，培养了我们团队吃苦耐劳、克服困难的能力，增加了我们的信心，对自身能力来说也是一种质的提高。团队通力合作完成任务，也充分体现了团队合作的重要性。在以后的学习和生活中我们还需继续努力，不断学习，不断改善自己，以创造更好的成绩。非常感谢有这么一个可以施展专业才华的舞台。【参考文献】1孙同景，陈桂友（编）FREESCALE9S12十六位单片机嵌入式开发技术M北京机械工业出版社，200872黄智伟全国大学生电子设计竞赛技能训练（第2版）M北京北京航空航天大学出版社，201113侯祥林，顾立忠，徐心和圆规单极倒立摆摆起过程控制J控制与决策，2003，1844834864黄友锐，曲立国PID控制器参数整定与实现出版社科学出版社,20105谭浩强著C程序设计（第三版）北京清华大学出版社，20057丛爽，张冬军，魏衡华单极倒立摆三种控制方法的对比研究J系统工程与电子技术，2001,266（11）4749附录一附图11系统结构框图附图12支架结构MPU6050传感器直流风机驱动电路按键拨码开关供电电源HC9S12XS128主控制器12864液晶屏蓝牙附图13MC9S12XS128最小系统图VINOUTGNDFEDBACKO/U8LM2596C1KR0I43MHAX7ETSYPP附图14LM2596稳压电路附图15MPU6050传感器电路附图16蓝牙电路附图17虚拟示波器显示X轴波形附图18程序设计结构图否是角度采集模式一模式六模式五模式四模式三模式二拨码开关选择模式开始初始化保持PWM波输出电机驱动直流风机PID算法是否达到模式设置角度角度附录二部分程序INCLUDE“DEFINEH“INT16X,Y,ZINTTX,TY,TZINTSET_X,SET_YFLOATAX,AY,AZINTWX,WY,WZFLOATATX,ATY,ATZFLOATOUTDATA4UNSIGNEDINTAD_VAL8INTCANSHU1,CANSHU2,CANSHU3,CANSHU4,CANSHU5EXTERNS_FLOAT_XYZQ_ANGLEEXTERNS_INT16_XYZMPU6050_ACC_LAST,MPU6050_GYRO_LAST/最新一次读取值/函数名CRC_CHECK/作用循环冗余校验/UNSIGNEDSHORTCRC_CHECKUNSIGNEDCHARBUF,UNSIGNEDCHARCRC_CNTUNSIGNEDSHORTCRC_TEMPUNSIGNEDCHARI,JCRC_TEMP0XFFFFFORI0I10XA001ELSECRC_TEMPCRC_TEMP1RETURNCRC_TEMP/函数名OUTPUT_DATA/作用波形输出/VOIDOUTPUT_DATAINTTEMP40UNSIGNEDINTTEMP140UNSIGNEDCHARDATABUF100UNSIGNEDCHARIUNSIGNEDSHORTCRC160FORI0I4ITEMPIINTOUTDA