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
摘 要
本参赛小组设计制作了风力摆控制系统，实现了风力摆系统的摆起及画圆控制。该系统主要由机械部分和控制系统构成，其中机械部分包括风机、支架、万向节以及摆杆等；控制部分主要由单片机最小系统、传感器以及直流电机驱动电路组成。该系统以XS128单片机为控制核心，利用陀螺仪检测摆杆偏角，经AD转换构成闭环，采用PD 控制算法，通过PWM对风机进行调速，驱动风力摆装置以调节摆杆的偏角，使风力摆摆起并画圆，实现对风力摆的实时控制。该系统具有结构简单，制作成本低，控制精度较高，抗干扰能力强等优点。
关键词：风力摆，陀螺仪，单片机，PWM，PD算法
Abstract
The team created wind pendulum control system design and implement the wind the swing-up and circle of pendulum control.The system mainly consists of mechanical part and control system, mechanical parts including fan, stents, universal joint, and swinging rod, etc.Control part is mainly composed of single chip microcomputer minimum system, sensor and the composition of dc motor drive circuit.XS128 single chip microcomputer as control core, the system using the gyroscope detection swinging rod Angle, the AD conversion constitute a closed loop, the PD control algorithm, through the PWM speed of the fan, wind pendulum device driver to adjust the Angle of swinging rod, and circle the wind sway, but to realize the real-time control for wind pendulum.The system has simple structure, low production cost, high control precision, strong anti-interference ability, etc.
Key words: Wind, gyroscope, MCU, PWM, PD algorithm
I
目 录
一、系统方案 ................................................................................................................................... 3
1.1 CPU的论证与选择 ............................................................................................................ 3 1.2 驱动的论证与选择 ............................................................................................................ 3 1.3 控制系统的论证与选择 .................................................................................................... 3 二、系统理论分析与计算 ............................................................................................................... 4
2.1 系统结构的分析 ................................................................................................................ 4 2.2 摆动与转速的计算 ............................................................................................................ 4 三、电路与程序设计 ....................................................................................................................... 4
3.1 电路的设计 ........................................................................................................................ 4
3.1.1 系统总体框图 ......................................................................................................... 4 3.1.2 CPU与驱动子系统框图与电路原理图 ................................................................. 5 3.1.3 陀螺仪与风机子系统框图与电路原理图 ............................................................. 5 3.1.4 电源 ......................................................................................................................... 6 3.2 程序的设计 ........................................................................................................................ 6
3.2.1 程序功能描述与设计思路 ..................................................................................... 6 3.2.2 程序流程图 ............................................................................................................. 6
四、测试方案与测试结果 ............................................................................................................... 7
4.1 测试方案 ............................................................................................................................ 7 4.2 测试条件与仪器 ................................................................................................................ 7 4.3 测试结果及分析 ................................................................................................................ 8
4.3.1 测试结果 ................................................................................................................. 8 4.3.2 测试分析与结论 ..................................................................................................... 8
五、结论与心得 ............................................................................................................................. 10 六、参考文献 ................................................................................................................................. 10 附录1：电路原理图 ...................................................................................................................... 12 附录2：源程序 .............................................................................................................................. 13
II
风力摆控制系统（B题）
【本科组】
一、系统方案
本系统主要由CPU模块、驱动模块、陀螺仪模块、电源模块、风机模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1 CPU的论证与选择
方案一：瑞萨R5F100LEA。瑞萨 R5F100LEA芯片虽然具有代码生成快，易操作等优点，但是该芯片片内资源少、代码不够灵活，且队员对该芯片的使用并不熟练，同时题目没有限制控制芯片的型号，故不采用此方案。
方案二：STM32F103。STM32F103系列芯片具有功耗低、片内资源丰富等优点，但是该芯片使用不够灵活，操作复杂，故也不采用此方案。
方案三：XS128。S12 MCU是功能丰富的入门级器件，具备可扩展性和高性能。S12X MCU具备容量更大的存储器选项并集成了XGATE协处理器，可提供更高的性能或仿真外设模块。
综合以上三种方案，选择方案三。
1.2 驱动的论证与选择
方案一：MOS管。MOS管在电压控制方面其控制方式比较方便；输入电阻高，噪声低，热稳定性好。但对静电比较敏感，容易被静电击穿。
方案二：L298N。L298N可直接接至12v，它有较强的驱动能力。
方案三：BTS7960。它是半桥驱动芯片，需要2个芯片来驱动一个电机，电流最高可达43A，其内阻很小，散热好，实用性好。
综合以上三种方案，选择方案三。
1.3 控制系统的论证与选择
方案一：采用模糊控制算法，模糊控制算法有许多优良的特性，它不需要事先知道对象的数学模型。具有系统响应快、超调小、过渡过程时间短等优点。但是它的编程复杂，数据处理量大。
方案二：采用PID算法，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，然后将其运算结果用以输出控制。优点是控制精度高且算法简单明了。对于本系统的控制已足够精确，节约了单片机的资源与运算时间。
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综合比较以上两种方案，本系统采用方案二。
二、系统理论分析与计算
2.1 系统结构的分析
（1）系统理论：通过对题目要求的分析，这是一个对全开环系统的控制，需要控制的是摆杆的角度，而摆杆的角度是通过控制轴流风机的转速产生空气推力来间接控制的。为了使激光笔绘制的轨迹超过50cm，我们就需要控制摆杆的倾角超过一个阈值θ，这个阈值可以直接计算出来，然后，通过简单的开环调节，从低到高不断增加X轴方向轴风流机的转速，直到倾角超过阈值记录下相应的PWM脉宽作用时间，便可轻易实现。
（2）系统摆动角度：系统摆动的角度大小可以通过加速度计得到，通过一定的比例控制，将得到的角度值反馈到系统中，从而达到闭环控制的效果。
（3）系统摆动角速度：系统摆动的角速度可以通过陀螺仪来得到。
2.2 摆动与转速的计算
（1）摆动角度：通过分析，可以明确，径向风机控制采用PID控制算法，使摆杆控制在某一设定的角度上。切线方向控制B、D电机产生推力，推动摆杆做圆周运动。
（2）风机转速：通过实际反复测量，根据输出PWM占空比与转速成线性关系原理，来实现风机的转速控制。
三、电路与程序设计
3.1 电路的设计
3.1.1 系统总体框图
系统总体框图如图1所示
图1 系统总体框图
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