生电子设计竞赛论文风力摆控制系统的设计学士学位论文.doc

2015年全国大学生电子设计竞赛
论文

B题：风力摆控制系统的设计

2015年8月15日

摘  要

该系统以高速单片机STC89C52RC为控制核心,主要由物理框架、数据采集系统、主控系统、执行系统四大部分组成。主控系统以高速单片机STC11F52XE为核心，实现对执行系统对直流电机的控制，从而实现基于自由摆的摆动控制系统。此方案可行性高，且精确度较高。 
关键词：单片机（STC11F52XE），直流电机，风力摆摆动控制

目 录
1、系统方案论证与选择........................................................1 1.1控制系统的论证与选择....................................................1
1.2供电系统的论证与选择....................................................2
1.3风力摆角度调整系统的论证与选择..........................................2
2、系统理论分析与计算...........................................................3
2.1建模与控制方法..........................................................3
2.1.1基本部分的第一项控制方法..............................................3
2.1.2基本部分的第二项控制方法..............................................3
3、硬件电路设计与分析.........................................................3 3.1系统电路总体框图........................................................3
3.2主要模块电路的设计.....................................................4 3.2.1继电器模块电路........................................................4
3.2.2单片机模块电路........................................................4
4、测试方案与测试结果..........................................................5 4.1测试仪器................................................................5
4.2测试方案以及结果........................................................5
4.2.1测试基本部分（1）...................................................5 4.2.2测试基本部分（2）.....................................................5
5、总结……………………………………………………………………………………… 14 5.1硬件小结………………………………………………………………………………… 14
5.2软件小结………………………………………………………………………………… 15
5.3心得体会……………………………………………………………………………… 15 附录1电路原理图和PCB版图 ……………………………………………………………… 16 附录2主要元器件清单………………………………………………………………………… 18

风力摆控制系统（B 题）
【本科组】

1、系统方案论证与选择
本任务要求设计制作一个基于风力摆测控系统，控制驱动各风机使风力摆按照一定规律
运动，激光笔在地面上画出要求的轨迹。据题目要求分析，我们得到基本思路，如图1. 1所示：
供电系统

显示模块显示
控制模块
反馈
最小系统模块

图1. 1 系统总体方案

1.1控制系统的论证与选择
方案1：用继电器来产生直流机的控制信号。它是利用电磁效应实现电路开、关控制作用的原件，广泛应用在电子设备、仪器仪表及自动化设备中。在各种自动设备中，都要求用一个低电压电路提控制一个高电压的电器电路。这样不仅可以为电子线路和电器电路提供良好的电隔离，还可以保护电子电路和人员安全。使得利用单片机来编程控制继电器来产生一个频率开关,使风力摆在固定的高度受到定时直流风机的作用,加大风力摆在这个高度的受力作用.使得风力摆稳定的摆动,使激光笔能画出符合题目要求的直线.要找到风力摆的固定高度,用单片机使用延时程序是比较容易的。所以采用这个方案。
1
方案2：用模拟电路来产生直流电机的控制信号。利用PWM脉冲对直流风机受到稳定的电压驱动，在直线上受到稳定的力，能在一条直线上运动，但需要MOS管驱动，必须对MOS管的型号、精度有更高的要求，用单片机编程有一定的难度同时
在电路上有更高的要求。
综上所述两个方案，本控制系统选方案1。
1.2 供电系统的论证与选择
方案 1：用变压器对家用电压220V进行降压。这个要修改电路图，需打板，需要检测，在一定程度上花费的时间更多。在选择使用变压器的时候，有型号要求，在电路输出后的电压一定为12V，而且电压要稳定不变。这个对于手动电路图有一定的要求，比较严格。
方案 2：直接用电脑电源给整个系统供电。电脑电源能够产生更稳定的12V电源，能够稳定的给直流风机供电，使直流风机能稳定摆动，激光笔能够画出题目要求的直线。不用花费太多时间去修改。容易达到我们需要的直流风机摆动的效果。
综上所述两个方案，本控制系统选方案2。
1.3风力摆角度调整系统的论证与选择
根据题目要求,要用直流分机来控制控制风力摆的的平衡。直流风机我们可以选用大、中、小的风扇。下面是对三种型号的直流风机的风扇分析和比较。
方案1：采用大型直流风机作为系统的主要动力机构。大型直流风机是日常生活中比较常用的电机类型，故直流电机可以采用由小功率三极管8050和8550组成的简单H型PWM电路作为直流电机的驱动。虽然和脉宽调制芯片TL494、光隔离芯片TLP521等构成的电路也能完成单片机对直流电机的控制。但是本次设计中用到电机调节平板的平衡，要求很高的精度，大型电机较难实现。因此不选择此方案。
方案 2：采用小型直流风机作为系统的主要动力机构。小型的直流风机太小，四台一起会导致风力摆的重量很重，而用小型的直流风机带动不了那么重的风力摆，风力摆摆动不起来。对硬件的链接有了更高的要求，机械器材很难达到这么高的精度，不利于我们的控制。
方案3：采用中型直流风机作为系统的主要动力机构。中型直流风机在各个方面的计算与配合都要好，使得风力摆的稳定性会比大、小型号的更强，方便携带。在于硬件连接上更方便我们操作。
综上所述三个方案，本控制系统选方案3。

2
2 理论分析与计算
2.1 建模与控制方法
2.1.1基本部分第一项的控制方法
直流风机受与单片机的串口通信，通过单片机STC89C51X进行编程，利用程序来驱动直流风机的转速与循环，在程序中利用软计时方法，测得单摆的摆动周期，多次测量求平均值，再依据获得的平均时间，在单片机程序中计算脉冲数及脉冲频率，输出相应控制信号给步进电机驱动器，用继电器来形成一个频率开关，使得直流风机受到相同频率的驱动，使得风力摆能更稳定的摆动。从而达到控制要求，
2.1.2基本部分第二项的控制方法
由于风力摆的摆动会导致风力摆的转动，这样就便于控制圆，使得周期的画圆，达到题目要求。
3、硬件电路设计与分析
3. 1系统电路总体框图
综合以上各模块电路方案比较与选择，系统的最终的总方案如图3.1所示
风力摆
键盘模块

开关频率模块
直流风机

单
片
机
STC89C51

图3. 1

总体方案的描述：本系统可通过键盘输入来选择工作模式和设定摆杆的起始位置，单片机根据输入的工作模式和设定的具体转角，通过继电器来控制给直流风机发送相应的频率，从而达到对直流分机的驱动，使风力摆稳定摆动，最终实现对风力摆的控制。

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3.2主要模块电路的设计
3.2.1继电器模块电路

电磁继电器是一种用电磁铁控制的电路开关，其构造和工作原理如图 所示。由电磁铁、弱电电源和电键组成控制电路。由电动机、强电电源 和电磁继电器的触点部分组成工作电路。闭合控制电路电键，电磁铁线 圈中有控制电流通过时，电磁铁就吸引衔铁，使工作电路触点闭合，电 动机启动。断开控制电路的电键，电磁铁失去磁性，弹簧把衔铁拉起， 在触点处切断工作电路，电动机停止工作。利用电磁继电器可以用低电 压、弱电流的信号电路来控制高电压、强电流的工作电路。
3.2.2 单片机模块电路

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4、测试方案与测试结果
4.1测试仪器
（1）秒表
（2）量角器
（3）自制方向角度图纸
4.2测试方案以及结果
4.2.1测试基本要求（1）
驱动风力摆工作，使激光笔稳定的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和最大偏差距离。测试结果如表1所示。
表1 风力摆画长于50cm直线测试

时间（s)
误差1
误差2
误差3
误差4
误差5
第一次测试

第二次测试

第三次测试

4.2.2测试基本要求（2）
设置风力摆画线长度，驱动风力摆工作，记录其由静止至开始自由摆时间和画不同长度直线时的最大偏差距离。测试结果如表2所示。
表2 风力摆画不同长度直线测试

时间(s)
误差1
误差2
误差3
误差4
误差5
画30cm直线

画40cm直线

画50cm直线

画60cm直线

4.2.3测试基本要求（3）
设置风力摆自由摆时角度，驱动风力摆工作，记录其由静止至开始自由摆时间和在画不同角度直线时的最大偏差距离。测试结果如表3所示。
表3 风力摆画不同角度直线测试

4.2.4测试基本要求（4）
将风力摆拉起一定角度放开，驱动风力摆工作，测试风力摆制动达到静止状态所用时间。测试结果如表4所示。
5
表4 风力摆恢复静止测试

时间（1）
时间（2）
时间（3）
时间（4）
时间（5）
拉起30°

拉起35°

拉起40°

拉起45°

4.2.5测试发挥部分（1）
风力摆静止时激光笔的光点为圆心，设置风力摆画圆半径，驱动风力摆用激光笔在地面画圆，记录其画三次圆所用时间和最大偏差距离，重复测试三次。改变圆半径再次测试，重复以上操作四次。测试结果表5所示。
4.2.6测试发挥部分（2）
在4.25的基础上，使用一台60W台扇在距离风力摆1m距离处向其吹5s后静止，记录风力摆恢复画圆状态时间。测试结果如表5所示。
表5 风力摆画圆测试

半径15cm
半径20cm
半径25cm
半径30cm
半径30cm
半径35cm
时间（1）

偏差距离（1）

恢复时间(1)

时间（2）

偏差距离（2）

恢复时间（2）

时间（3)

偏差距离（3）

恢复时间（3）

5、 总结
结论应以测试数据与结果分析为依据，简洁地指出以下内容：
① 实验得到的结果所揭示原理及其普遍性；
② 研究中有无发现例外或难以解释或解决的问题；
③ 本论文理论上和实用上的意义和价值；
④ 进一步研究本课题的建议。
以上内容不一定面面俱到，但要有感而发。

6、 参考文献
[1]童诗白，华程英.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京：高等教育出版社,2009.
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[6]郭天祥.新概念51单片机C语言教程.入门、提高、开发[M].北京：电子工业出版社.2009.
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