风板控制方案设计方案报告.doc

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全国大学生电子设计竞赛风板控制装置（I题）【高职高专组】 8月15日摘要本系统通过对直流小电扇风速调节实现对风板转角控制，使风板转角可以随风速变化而变化，且能迅速达到设定角度并稳定。IAP15F2K61S2单片机为控制核心，通过键盘设定风板板角度 12864实时显示风板当前角度。单片机输出PWM波控制电扇风速，通过GY521mpu-6050测量风板倾角反馈至单片机，采用PID控制典型算法，使系统实现精准控制，然后微调小电扇转速变化风速大小使风板角度达到稳定。并且在达到设定范畴时进行声光提示。通过调试与测试，实现了基本某些与发挥某些，最后实当前悬挂重物状况下风板能达到设定角度控制，且最后绝对值误差不超过5度. 核心字：1602；GY521mpu-6050;PWM;PID算法。目录 1系统方案 1 1.1 角度测量方案选取 1 1.2 电扇控制方案选取 2 1.3显示方案选取 2 1.4控制器方案选取 2 2系统理论分析与计算 3 2.1 电扇调试原理 3 2.2角度测量原理 3 2.3 PID控制算法分析 3 3电路与程序设计 4 3.1电路设计 4 3.1.1系统总体框图 4 3.1.2角度检测电路 4 3.1.3 电扇驱动电路 5 3.1.4按键及显示电路 5 3.1.5电源电路 6 3.2程序设计 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 4测试方案与测试成果 7 4.1测试办法与仪器 7 4.2测试过程及数据 7 4.3测试分析与结论 8 附录1：电路原理图 10 附录2：实物图 11 1系统方案依照题目规定,本系统可以分为控制某些和信号检测某些.控制某些则涉及显示模块、按键模块、声光报警模块、电扇驱动模块四个基本某些。信号检测某些为角度测量模块，测量风板角度。下面分别论证这几种模块选取。 1.1 角度测量方案选取方案一：采用MMA7260重力加速度传感器，由于加速度传感器在静止放置时受到重力作用，因而会有 1g重力加速度。运用这个性质，通过测量重力加速度在加速度传感器 X 轴和 Y 轴上分量，可以计算出其在垂直平面上倾斜角度。依照如图1.1所示，有Ax = gsinα，Ay =gcosα 。则=tanα即 α=arctan().这样，依照以上原理一种2 轴加速度传感器可以测量在X-Y 平面上倾斜角度。该方案原理简朴，操作以便，但使用起来运算量较大，程序较为复杂，对于单片机来说，会显得有点吃力，因而咱们放弃选用该方案。图1.1加速度传感器角度测量原理方案二：MPU-6000为全球首例整合性6轴运动解决组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之间轴差问题，减少了大量包装空间。MPU-6000能以数字输出6轴或9轴旋转矩阵、四元数(quaternion)、欧拉角格式(Euler Angle forma)融合演算数据。内建之运作时间偏差与磁力感测器校正演算技术，免除了客户须此外进行校正需求。符合设计规定，同步也是咱们平时有接触模块。故综合考虑实际中选取方案二。 1.2 电扇控制方案选取方案一：采用可控硅控制调速，通过控制双向可控硅导通角，使输出端电压发生变化，从而使施加在电电扇输入电压发生变化，以调节电扇转速，实现各档位风速无级调速。但可控硅控制控制原理决定了只能滞后触发，因而，晶闸管可控制整流器对交流电源来说相称于一种感性负载，吸取滞后无功电流，因而功率因素低。并且晶闸管整流装置输出电压是脉动，并且脉波数总是有限。如果主电路电感不是非常大，则输出电流总存在持续和断续两种状况，因而机械特性也有持续和断续两段，因而功率因素低，故咱们不选用该方案。方案二：采用直流斩波控制，变化电压输出开关断时间，将直流电源电压断续加到负载上，即可实现电扇调速控制，它具备效率高、体积小、成本低等长处。咱们可以采用单片机由软件来实现PWM波，简化系统硬件设计，通过变化PWM波占空比值即可变化电枢端电压平均值从而达到调速目。再加上PID算法控制，而整个系统PWM波形产生是通过PID算法调节，这样提高了系统稳定性和可靠性，让系统控制更加精准。故综合考虑实际中选取方案二。 1.3显示方案选取方案一：使用数码管显示，通过数码管显示被测角度和设定角度。该方案程序简朴，但硬件占用单片机I/O口较多，对于尽量节约端口，让线路简朴来说不是好办法，并且显示也不够直观灵活，只能显示数字，不能显示中文显示功能提示，故不适合本次设计应用。方案二：使用液晶屏LCD1602，具备体积小，使用以便等特点。并且可以显示字母，数字等功能，观测显示很直观，通过字幕显示各种菜单界面、设定角度、测量角度等。该方案程序较复杂，但显示观测清晰，显示直接明白，完全符合本系统设计功能。故为最佳方案，咱们选取方案二。方案二：使用液晶屏LCD1602，具备体积小，使用以便等特点。并且可以显示字母，数字等功能，观测显示很直观，通过字幕显示各种菜单界面、设定角度、测量角度等。该方案程序较复杂，但显示观测清晰，显示直接明白，完全符合本系统设计功能。故为最佳方案，咱们选取方案二。 1.4控制器方案选取方案一：采用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统控制器；将所有器件集成在一块芯片上，这样外围电路较少，控制板体积小，稳定性高，扩展性能好；并且FPGA采用并行输入/输出方式，系统解决速度快，再加上FPGA有以便开发环境和丰富开发工具等资源可运用，易于调试；但是FPGA得成本偏高，算术运算能力不强，而本设计系统设计会用到较多算术运算，因此FPGA高速解决优势得不到充分体现。方案二：采用STC公司IAP15F2K61S2单片机作为系统控制器。单片机算术运算功能强，软件编程灵活，可用软件较简朴实现各种算术和逻辑控制，并且由于其成本低，体积小和功耗低等长处，使其在各个领域应用广泛；此外，由于本设计中会用到较多算术运算，因此对本系统来说非常适合运用单片机作为控制器。基于以上分析，选取方案二。 2系统理论分析与计算 2.1 电扇调试原理单片机控制小型直流电机普通采用PWM脉冲调制方式实现速度控制。 PWM基本原理：PWM即脉冲宽度调制（定义），是直流电源电压基本不变状况下通过电子开关通断，变化施加到电机电枢端得直流电压脉冲宽度（即所谓占空比），以调节输入电机电枢电压平均值调速方式。通过变化固定周期内直流电压占空比来变化电机两端直流平均电压，进而达到控制风力大小一种办法。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。通过变化直流电机电枢上电压"占空比"来变化平均压大小，从而控制电动机转速。只要按一定规律，变化通、断电时间，即可让电机转速得到控制。设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t1／T，则电机平均速度为式中，Vd -- 电机平均速度； Vmax- -电机全通电时速度(最大)； D=t1／T ---占空比。由此可见，当咱们变化占空比D：t1／T时，就可以得到不同电机平均速度Vd ，严格地讲，平均速度 Vd与占空比 D并不是严格线性关系，在普通应用中，可以将其近似地当作线性关系。 2.2角度测量原理 mpu6050工作原理:作为一款物理传感器，其工作原理是运用物理效应，诸如压电效应，将被测信号量微小变化转换成电信号。MPU6050是一款9轴运动解决传感器。它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一种可扩展数字运动解决器DMP（Digital Motion Processor）,可用I2C接口连接一种第三方数字传感器，例如磁力计。扩展之后就可以通过其I2C或SPI接口输出一种9轴信号（SPI接口仅在MPU-6000可用）。MPU-6050也可以通过其I2C接口连接非惯性数字传感器，例如压力传感器。极大提高系统最小精度，符合题目规定。 2.3 PID控制算法分析 PID控制算法是控制理论中应用很广泛一种算法，对于普通控制系统来说，PID算法从某种意义来说具备通用性，对各种系统具备广泛合用性，通过现场参数调试，可以达到较好控制效果。对于咱们这次风板控制系统设计，咱们同样也可以使用PID控制算法，详细算法如下： e(i)=t测-t设 E= （2）算法中，u（i）为当时功率输出。T为采样时间，E为误差积累，KP为比例常数，Ti为积分常数，Td为微分常数。依照实际系统，调节这三个常数，可以达到更好效果。 3电路与程序设计 3.1电路设计 3.1.1系统总体框图系统总体框图如图3.1所示：图3.1系统总体框图 3.1.2角度检测电路采用GY-52角度传感器，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差问题，减少了大量包装空间。MPU-6000整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，可以直接输出角度转换为数字信号传递给单片机进行调速控制。其电路图如图3.2所示：图3.2角度检测电路 3.1.3 电扇驱动电路采用单片机产生PWM波，简化硬件电路设计，实现性价比高特点，变化PWM波占空比值即可变化电枢端电压平均值从而达到调速目。外加LM298驱动电路，即可完全实现调速控制。LM298N它采用单片集成塑装，是一种高电压、大电流全双桥驱动器，由原则TTL电平控制。L298N支持50V以内电机控制电压，在直流运转条件下，可以通过高达2A电流，因而它满足了普通小型电机控制规定。接法见图3.3，图中二极管作用是消除电机反向电动势，保护电路，因而采用整流二极管比较适当。PWM控制信号由in1、in2输入。如果in1为高电平，in2为低电平时电机为正向转速，反之in1为低电平，in2为高电平时，电机为反向转速。本设计将in2直接接地，即采用单向制动方式。图3.3 L298N模块实物图 3.1.4按键及显示电路图3.4 1602显示电路本设计采用1个键作为键盘，分别为选取2种模式。按是一种，不按又是一种。图3.5 按键输入电路 3.1.5电源电路电源由变压某些、滤波某些、稳压某些构成。为整个系统提供5V或者12V电压，保证电路正常稳定工作。咱们采用是单电源供电，把12v直流电供应电机，用降压芯片把电压稳定到5V，提供应单片机工作，并实现了互不干扰。同步单片机可以间接控制电机调速。 LM337可调稳压 3.2程序设计 3.2.1程序功能描述与设计思路 1、程序功能描述：可以输出精准角度信息，并运用PWM来高速调节电机开关从而实现对电机速度控制，使得角度传感器，风板，电机，单片机，LCD1602，形成了一种简朴系统。 2、程序设计思路：先是运用角度传感器对风板角度进行精准实时显示，运用角度传感器传播数据对pwm进行控制，使得电机风速得到控制，最后风速来反馈给角度传感器，形成了一种封闭反馈使闭环系统。 4测试方案与测试成果 4.1测试办法与仪器测试办法：先通过Keil C软件实现程序调试和进行初步仿真，再通过protues仿真软件搭建电理图，实现对程序功能实现仿真,并且用虚拟仿真软件Multisim对硬件电路实现功能仿真，保证电路无误后，在制作硬质电路板，焊接电路，实现软硬件联合调试。测试仪器：量角器、秒表、直尺、模仿示波器、数字示波器、数字万用表、指针式万用表。 4.2测试过程及数据 1.测试基本功能一：用手搬动风板时，数字显示风板转角。实际测试时，风板角度可以从45-135度变化，符合题目规定。 2.测试基本功能二：当悬挂10克重物时，使风板角度可以在45-135度范畴变化，并实时显示角度。在完毕规定同步，规定误差不超过5度，反映时间15秒，测试如下：风力大小(%) 角度(°) 40 30 44 45 47 50 50 65 53 80 55 95 60 105 65 120 73 135 表1 基本功能二测试 3.测试基本功能三：当间距为10cm时，通过控制按键控制风力大小，在 45°±5°范畴内。规定控制过程在10 秒内完毕，实时显示θ，并由声光提示，以便进行测试。测试数据如表2所示：风力大小（%）角度（°）用时（s） 52 48 6.3 51 48 3.1 43 44 3.1 表2. 基本功能测试三 4.测试发挥功能一：当间距挂10克重物时，通过键盘设定风板转角，其范畴为45-135要θ在 15秒内达到设定值，并实时显示θ。最大误差绝对值不超过5°测试数据如表3所示：设定角度(°) 实际角度(°) 风力大小（%）调节时间（s） 30 30 0 0 50 14 12 13 70 24 17 16 90 28 22 13 110 36 43 12 130 54 76 11 150 180 80 0 5测试发挥功能二：在功能一基本上，通过键盘设定模式，规定θ在两个预设角度间摆动四次，摆动周期不超过5秒，最大误差绝对值不超过 5°。测试数据达到规定 4.3测试分析与结论依照上述测试数据，系统完全符合规定，误差在容许范畴内，实现所有功能，有些指标还很高精度。由此可以得出如下结论：综上所述，本设计达到设计规定。附录1：电路原理图角度传感器电路原理图附录2：实物图附录3：系统程序 #include <stc15f2k60s2.H> #include <math.h> //Keil library #include <stdio.h> //Keil library #include <INTRINS.H> typedef unsigned char uchar; typedef unsigned short ushort; typedef unsigned int uint; //**************************************** // 定义51单片机端口 //**************************************** #define DataPort P0 //LCD1602数据端口 sbit SCL=P2^4; //IIC时钟引脚定义 sbit SDA=P2^3; //IIC数据引脚定义 sbit LCM_RS=P2^2; //LCD1602命令端口 sbit LCM_RW=P2^1; //LCD1602命令端口 sbit LCM_EN=P2^0; //LCD1602命令端口 //**************************************** // 定义MPU6050内部地址 //**************************************** #define SMPLRT_DIV 0x19 //陀螺仪采样率，典型值：0x07(125Hz) #define CONFIG 0x1A //低通滤波频率，典型值：0x06(5Hz) #define GYRO_CONFIG 0x1B //陀螺仪自检及测量范畴，典型值：0x18(不自检，deg/s) #define ACCEL_CONFIG 0x1C //加速计自检、测量范畴及高通滤波频率，典型值：0x01(不自检，2G，5Hz) #define ACCEL_XOUT_H 0x3B #define ACCEL_XOUT_L 0x3C #define ACCEL_YOUT_H 0x3D #define ACCEL_YOUT_L 0x3E #define ACCEL_ZOUT_H 0x3F #define ACCEL_ZOUT_L 0x40 #define PWR_MGMT_1 0x6B //电源管理，典型值：0x00(正常启用) #define WHO_AM_I 0x75 //IIC地址寄存器(默认数值0x68，只读) #define SlaveAddress 0xD0 //IIC写入时地址字节数据，+1为读取 //**************************************** //定义类型及变量 //**************************************** uchar dis[4]; //显示数字(-511至512)字符数组 int dis_data; //变量 //int Temperature,Temp_h,Temp_l; //温度及高低位数据 //**************************************** //函数声明 //**************************************** void delay(unsigned int k); //延时 //LCD有关函数 void InitLcd(); //初始化lcd1602 void lcd_printf(uchar *s,int temp_data); void WriteDataLCM(uchar dataW); //LCD数据 void WriteCommandLCM(uchar CMD,uchar Attribc); //LCD指令 void DisplayOneChar(uchar X,uchar Y,uchar DData); //显示一种字符 void DisplayListChar(uchar X,uchar Y,uchar *DData,L); //显示字符串 //MPU6050操作函数 void InitMPU6050(); //初始化MPU6050 void Delay5us(); void I2C_Start(); void I2C_Stop(); void I2C_SendACK(bit ack); bit I2C_RecvACK(); void I2C_SendByte(uchar dat); uchar I2C_RecvByte(); void I2C_ReadPage(); void I2C_WritePage(); void display_ACCEL_x(); void display_ACCEL_y(); void display_ACCEL_z(); uchar Single_ReadI2C(uchar REG_Address); //读取I2C数据 void Single_WriteI2C(uchar REG_Address,uchar REG_data); //向I2C写入数据 //**************************************** //整数转字符串 //**************************************** void lcd_printf(uchar *s,int temp_data) { *++s =temp_data/100+0x30; temp_data=temp_data%100； //取余运算 *++s =temp_data/10+0x30; temp_data=temp_data%10； //取余运算 *++s =temp_data+0x30； } //**************************************** //延时 //**************************************** void delay(unsigned int k) { unsigned int i,j; for(i=0;i<k;i++) { for(j=0;j<121;j++); } } //**************************************** //LCD1602初始化 //**************************************** void InitLcd() { WriteCommandLCM(0x38,1); WriteCommandLCM(0x08,1); WriteCommandLCM(0x01,1); WriteCommandLCM(0x06,1); WriteCommandLCM(0x0c,1); DisplayOneChar(0,0,'A'); DisplayOneChar(0,1,'G'); } //**************************************** //LCD1602写容许 //**************************************** void WaitForEnable(void) { DataPort=0xff; LCM_RS=0;LCM_RW=1;_nop_(); LCM_EN=1;_nop_();_nop_(); while(DataPort&0x80); LCM_EN=0; } //**************************************** //LCD1602写入命令 //**************************************** void WriteCommandLCM(uchar CMD,uchar Attribc) { if(Attribc)WaitForEnable(); LCM_RS=0;LCM_RW=0;_nop_(); DataPort=CMD;_nop_(); LCM_EN=1;_nop_();_nop_();LCM_EN=0; } //**************************************** //LCD1602写入数据 //**************************************** void WriteDataLCM(uchar dataW) { WaitForEnable(); LCM_RS=1;LCM_RW=0;_nop_(); DataPort=dataW;_nop_(); LCM_EN=1;_nop_();_nop_();LCM_EN=0; } //**************************************** //LCD1602写入一种字符 //**************************************** void DisplayOneChar(uchar X,uchar Y,uchar DData) { Y&=1; X&=15; if(Y)X|=0x40; X|=0x80; WriteCommandLCM(X,0); WriteDataLCM(DData); } //**************************************** //LCD1602显示字符串 //**************************************** void DisplayListChar(uchar X,uchar Y,uchar *DData,L) { uchar ListLength=0； Y&=0x1； X&=0xF； while(L--) { DisplayOneChar(X,Y,DData[ListLength]); ListLength++； X++； } } //************************************** //延时5微秒(STC90C52RC@12M) //不同工作环境,需要调节此函数 //当改用1TMCU时,请调节此延时函数 //************************************** void Delay5us() { _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); } //************************************** //I2C起始信号 //************************************** void I2C_Start() { SDA = 1； //拉高数据线 SCL = 1； //拉高时钟线 Delay5us()； //延时 SDA = 0； //产生下降沿 Delay5us()； //延时 SCL = 0； //拉低时钟线 } //************************************** //I2C停止信号 //************************************** void I2C_Stop() { SDA = 0； //拉低数据线 SCL = 1； //拉高时钟线 Delay5us()； //延时 SDA = 1； //产生上升沿 Delay5us()； //延时 } //************************************** //I2C发送应答信号 //入口参数:ack (0:ACK 1:NAK) //************************************** void I2C_SendACK(bit ack) { SDA = ack； //写应答信号 SCL = 1； //拉高时钟线 Delay5us()； //延时 SCL = 0； //拉低时钟线 Delay5us()； //延时 } //************************************** //I2C接受应答信号 //************************************** bit I2C_RecvACK() { SCL = 1； //拉高时钟线 Delay5us()； //延时 CY = SDA； //读应答信号 SCL = 0； //拉低时钟线 Delay5us()； //延时 return CY; } //************************************** //向I2C总线发送一种字节数据 //************************************** void I2C_SendByte(uchar dat) { uchar i; for (i=0；i<8；i++) //8位计数器 { dat <<= 1； //移出数据最高位 SDA = CY； //送数据口 SCL = 1； //拉高时钟线 Delay5us()； //延时 SCL = 0； //拉低时钟线 Delay5us()； //延时 } I2C_RecvACK(); } //************************************** //从I2C总线接受一种字节数据 //************************************** uchar I2C_RecvByte() { uchar i; uchar dat = 0; SDA = 1； //使能内部上拉,准备读取数据, for (i=0；i<8；i++) //8位计数器 { dat <<= 1; SCL = 1； //拉高时钟线 Delay5us()； //延时 dat |= SDA； //读数据 SCL = 0； //拉低时钟线 Delay5us()； //延时 } return dat; } //************************************** //向I2C设备写入一种字节数据 //************************************** void Single_WriteI2C(uchar REG_Address,uchar REG_data) { I2C_Start()； //起始信号 I2C_SendByte(SlaveAddress)； //发送设备地址+写信号 I2C_SendByte(REG_Address)； //内部寄存器地址， I2C_SendByte(REG_data)； //内部寄存器数据， I2C_Stop()； //发送停止信号 } //************************************** //从I2C设备读取一种字节数据 //************************************** uchar Single_ReadI2C(uchar REG_Address) { uchar REG_data; I2C_Start()； //起始信号 I2C_SendByte(SlaveAddress)； //发送设备地址+写信号 I2C_SendByte(REG_Address)； //发送存储单元地址，从0开始 I2C_Start()； //起始信号 I2C_SendByte(SlaveAddress+1)； //发送设备地址+读信号 REG_data=I2C_RecvByte()； //读出寄存器数据 I2C_SendACK(1)； //接受应答信号 I2C_Stop()； //停止信号 return REG_data; } //************************************** //初始化MPU6050 //************************************** void InitMPU6050() { Single_WriteI2C(PWR_MGMT_1，0x00); //解除休眠状态 Single_WriteI2C(SMPLRT_DIV，0x07); Single_WriteI2C(CONFIG，0x06); Single_WriteI2C(GYRO_CONFIG，0x18); Single_WriteI2C(ACCEL_CONFIG，0x01); } //************************************** //合成数据 //************************************** int GetData(uchar REG_Address) { char H,L; H=Single_ReadI2C(REG_Address); L=Single_ReadI2C

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