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
本文以 IAP 单片机为控制核心，可以在运行过程中对User Flash的部分区域进行烧写；MPU6050是陀螺仪与加速度传感器的结合，可实时检测出风力摆的状态并由单片机处理后通过PID 控制算法实现闭环调节，实现对直流电机转速的控制以此来达到风力摆的动态平衡。系统设计结构简单，制作成本低，控制精度高。风力摆运行状态由液晶显示，智能性好，反应速度快，具有良好的人机交互界面。
目录
一、 系统方案 ............................................................................................................................................................ 1
1、电机的论证与选择 ........................................................................................................................................ 1 2、单片机的论证与选择 .................................................................................................................................... 1 3、电机驱动电路的论证与选择 ........................................................................................................................ 1 二、系统理论分析与计算 .......................................................................................................................................... 2
2.1保证系统稳定性的方法 ................................................................................................................................ 2
(1)选取合适的材料搭建支架 ...................................................................................................................... 2 (2)选取适宜的硬件提高精准度 .................................................................................................................. 2 1、小型直流电机电路 ........................................................................................................................................ 3 2、显示模块的电路 ............................................................................................................................................ 3 3、电机驱动电路 ................................................................................................................................................ 3 三、系统设计 .............................................................................................................................................................. 3
1、系统流程图 .................................................................................................................................................... 3 2、程序设计（见附录） .................................................................................................................................... 3 四、测试方案及结果 .................................................................................................................................................. 3
1、测试仪器 ........................................................................................................................................................ 3 2、测试结果 ........................................................................................................................................................ 3
3、测试分析 ................................................................................................................................................ 5
五、结论与心得 .......................................................................................................................................................... 5 六、参考文献 .............................................................................................................................................................. 5 附录1：源程序 ........................................................................................................................................................... 6
风力摆控制系统（B题）
【本科组】
一、系统方案
本系统主要由控制处理模块、角度，加速度检测模块、驱动模块、电源模块、
显示组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1、电机的论证与选择
方案一：采用步进电机。步进电机具有动态响应快、易于起停，易于正反转 及变速的优点。但缺点是它以步进式跟进，角度小于一个步距角时是系统响应盲 区，而且经过测试步进电机在控制旋转臂时，抖动性大并且容易出现卡顿现象， 所以不适合风力摆的控制。
方案二：采用小型轴流风机。扭矩大，体积小，驱动电路简单，稳定强，负载能力强等优点。
综合比较以上两种电机，结合设计所需平稳的控制摆杆处于竖直状态，故选择小型轴流风机。
2、单片机的论证与选择
方案一：采用 AT89C52 单片机。AT89C52 单片机是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。
方案二：采用IAP15F2K61S2 单片机。IAP 系列单片机具有低功耗、高速度、超强抗 干扰等优点。
方案三：采用 STC89C52RC 单片机本身带有有 8 路十位 AD 转换和 2 路 PWM， 而且处理速度比一般单片机要快，精度高。
综合比较以上三种单片机。为了更方便、高精度、高速度地控制系统，完成题目要求，故选择 IAP15F2K61S2 单片机为主控芯片。
3、电机驱动电路的论证与选择
方案一：使用 L298N 芯片。L298N 是一种高电压、大电流电机驱动芯片，最高工作电压可达 46V，峰值电流可达 3A，持续工作电流为 2A。可以通过 I/O 口提供信号方便地控制直流电机或步进电机，但是容易发烫。
方案二：使用 BTS7960 芯片。BTS7960 芯片是集成的大电流半桥驱动，其内部 包含一片 NMOS、一片 PMOS 和一片半桥门集驱动。其输入信号为标准的 TTL 电平， 直接与单片机相连就可以，降低系统的不稳 定因素，而且可以用 PWM 调速。 综合比较以上两种驱动芯片，由于电路要求精度高、稳定性好，能满足速度变换要求，故选择 L298N 芯片为驱动芯片。
二、系统理论分析与计算 2.1保证系统稳定性的方法
经分析计算，本设计的稳定性主要有2个方面。与外围硬件设备稳定性有关，包括支架的稳定性、检测及控制模块安装的稳定性。控制稳定性，包括电机的转动稳定性，单片机输出电平的稳定性。本设计从以下方面减小损耗以提高效率：
(1)选取合适的材料搭建支架
采用合适大小的木棍作为支架的材料，不仅更容易加工，还具有相当一定程度的稳定性。
然后传感与控制模块用胶枪打胶凝住，不仅稳固，还不易损坏器件，便于器件的回收利用。
(2)选取适宜的硬件提高精准度
为让控制更稳定，选用了IAP15F2K61S2单片机作为主控芯片，MPU6050作为角度与加速度传感模块。使系统更具稳定性。
2.2 各有关量的计算
单摆的周期对于本系统具有重要作用，公式为T=2π√( l / g) ；
而需要控制电机的输出功率来控制所需力的大小，公式为P=1.732×U×I×cosφ，即有用功功率；
在提供纸板上需用激光笔画出制定长度的线段，所以就要利用单摆的长及高度计算所画的线段长，公式为D=(Lcosθ+h)tanθ。
三、电路与程序设计 1、小型直流电机电路
图1 小型直流机电路图
2、显示模块的电路
由于1602采用并口传输，速度比12864串口快。数码管就不说了，没有驱动要加CD4511等外加电路。1602内部集成有显示芯片，可以识别英文字母、阿拉伯数字，所以我们选用1602液晶显示屏作为显示模块。
图2 显示模块电路图
3、电机驱动电路
图3 电机驱动电路图
三、系统设计 1、系统流程图
图4 系统程序流程图
2、程序设计（见附录）
四、测试方案及结果
1、测试仪器
秒表、自制风力摆、量角器、长直尺、小型风扇、带方向角度的硬纸板。
2、测试结果
①驱动风力摆工作，使激光笔稳定地在地面画出一条长度不短于50cm的直线段，来回五次，记录其由静止至开始自由摆时间及最大偏差距离。测试结果如表1所示。
全国大学生电子设计竞赛B题风力摆设计报告
