风板控制设计报告.doc

2023年全国大学生电子设计竞赛

风板控制装置（I题）
【高职高专组】

2023年8月15日

摘 要

本系统通过对直流小风扇风速的调节实现对风板转角的控制，使风板转角可以随风速变化而改变，且能快速达成设定角度并稳定。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波控制风扇的风速，通过GY521mpu-6050测量风板的倾角反馈至单片机，采用PID控制经典算法，使系统实现精确控制，然后微调小风扇的转速改变风速的大小使风板角度达成稳定。并且在达成设定范围时进行声光提醒。通过调试与测试，实现了基本部分与发挥部分，最终实现在悬挂重物的情况下风板能达成设定角度控制，且最终绝对值误差不超过5度.

关键字：1602; GY521mpu-6050;PWM;PID算法。

目 录
1系统方案 1
1.1 角度测量方案选择 1
1.2 风扇控制方案选择 2
1.3显示方案选择 2
1.4控制器方案选择 2
2系统理论分析与计算 3
2.1 风扇调试原理 3
2.2角度测量原理 3
2.3 PID控制算法的分析 3
3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角度检测电路 4
3.1.3 风扇驱动电路 5
3.1.4按键及显示电路 5
3.1.5电源电路 6
3.2程序的设计 6
3.2.1程序功能描述与设计思绪 6
3.2.2程序流程图 6
4测试方案与测试结果 7
4.1测试方法与仪器 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
根据题目规定,本系统可以分为控制部分和信号检测部分.控制部分则涉及显示模块、按键模块、声光报警模块、风扇驱动模块四个基本部分。信号检测部分为角度测量模块，测量风板的角度。下面分别论证这几个模块的选择。
1.1 角度测量方案选择

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，因此会有 1g的重力加速度。运用这个性质，通过测量重力加速度在加速度传感器的 X 轴和 Y 轴上的分量，可以计算出其在垂直平面上的倾斜角度。根据如图1.1所示，有Ax = gsinα，Ay =gcosα 。则=tanα即 α=arctan().这样，根据以上原理一个2 轴加速度传感器可以测量在X-Y 平面上的倾斜角度。该方案原理简朴，操作方便，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，因此我们放弃选用该方案。

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，免去了组合陀螺仪与加速器时之间轴差的问题，减少了大量的包装空间。MPU-6000能以数字输出6轴或9轴的旋转矩阵、四元数(quaternion)、欧拉角格式(Euler Angle forma)的融合演算数据。内建之运作时间偏差与磁力感测器校正演算技术，免去了客户须此外进行校正的需求。符合设计规定，同时也是我们平时有接触的模块。故综合考虑实际中选择方案二。

1.2 风扇控制方案选择
方案一：采用可控硅控制调速，通过控制双向可控硅的导通角，使输出端电压发生改变，从而使施加在电风扇的输入电压发生改变，以调节风扇的转速，实现各档位风速的无级调速。但可控硅控制控制原理决定了只能滞后触发，因此，晶闸管可控制整流器对交流电源来说相称于一个感性负载，吸取滞后的无功电流，因此功率因素低。并且晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，并且脉波数总是有限的。假如主电路电感不是非常大，则输出电流总存在连续和断续两种情况，因而机械特性也有连续和断续两段，因此功率因素低，故我们不选用该方案。
方案二：采用直流斩波控制，改变电压输出开关断时间，将直流电源电压断续加到负载上，即可实现风扇调速控制，它具有效率高、体积小、成本低等优点。我们可以采用单片机由软件来实现PWM波，简化系统硬件设计，通过改变PWM波的占空比的值即可改变电枢端电压的平均值从而达成调速的目的。再加上PID算法控制，而整个系统的PWM波形的产生是通过PID算法调节 ，这样提高了系统的稳定性和可靠性，让系统控制更加精确。
故综合考虑实际中选择方案二。
1.3显示方案选择
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方法，并且显示也不够直观灵活，只能显示数字，不能显示汉字显示功能提醒， 故不适合本次设计应用。
方案二：使用液晶屏LCD1602，具有体积小，使用方便等特点。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，但显示观测清楚，显示直接明白，完全符合本系统设计功能。故为最佳方案，我们选择方案二。
方案二：使用液晶屏LCD1602，具有体积小，使用方便等特点。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，但显示观测清楚，显示直接明白，完全符合本系统设计功能。故为最佳方案，我们选择方案二。

1.4控制器方案选择
方案一：采用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器；将所有的器件集成在一块芯片上，这样外围电路较少，控制板的体积小，稳定性高，扩展性能好；并且FPGA采用并行的输入/输出方式，系统解决速度快，再加上FPGA有方便的开发环境和丰富的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，而本设计系统的设计会用到较多算术运算，所以FPGA的高速解决的优势得不到充足体现。
方案二：采用STC公司的IAP15F2K61S2单片机作为系统的控制器。单片机算术运算功能强，软件编程灵活，可用软件较简朴的实现各种算术和逻辑控制，并且由于其成本低，体积小和功耗低等优点，使其在各个领域应用广泛；此外，由于本设计中会用到较多的算术运算，所以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，选择方案二。

2系统理论分析与计算
2.1 风扇调试原理
单片机控制的小型直流电机的一般采用PWM脉冲调制方式实现速度的控制。

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的情况下通过电子开关的通断，改变施加到电机电枢端得直流电压脉冲宽度（即所谓的占空比），以调节输入电机电枢的电压平均值的调速方式。
通过改变固定周期内直流电压的占空比来改变电机两端的直流平均电压，进而达成控制风力大小的一种方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。
通过改变直流电机电枢上电压的"占空比"来改变平均压的大小，从而控制电动机的转速。只要按一定规律，改变通、断电的时间，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，则电机的平均速度为式中，Vd -- 电机的平均速度； Vmax- -电机全通电时的速度(最大)； D=t1／T ---占空比。 由此可见，当我们改变占空比D：t1／T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd ，严格地讲，平均速度 Vd与占空比 D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，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，将被测信号量的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，以及一个可扩展的数字运动解决器DMP（Digital Motion Processor）,可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后就可以通过其I2C或SPI接口输出一个9轴的信号（SPI接口仅在MPU-6000可用）。MPU-6050也可以通过其I2C接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。极大提高系统最小精度，符合题目规定。
2.3 PID控制算法的分析
PID控制算法是控制理论中应用很广泛的一种算法，对于一般控制系统来说，PID算法从某种意义来说具有通用性，对各种系统具有广泛的合用性，通过现场的参数调试，可以达成很好的控制效果。
对于我们这次风板控制系统的设计，我们同样也可以使用PID控制算法，具体算法如下：
e(i)=t测-t设
E=
（2）
算法中，u（i）为当时的功率输出。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。根据实际系统，调节这三个常数，可以达成更好的效果。
3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，免去了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间。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 风扇驱动电路
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，改变PWM波的占空比的值即可改变电枢端电压的平均值从而达成调速的目的。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， 是一个高电压、大电流全双桥驱动器，由标准的TTL电平控制。L298N支持50V以内的电机控制电压，在直流运转条件下，可以通过高达2A的电流，因此它满足了一般小型电机的控制规定。接法见图3.3，图中二极管的作用是消除电机的反向电动势，保护电路，因此采用整流二极管比较合适。PWM控制信号由in1、in2输入。假如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，即采用单向制动的方式。

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，分别为选择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
电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V或者12V电压，保证电路的正常稳定工作。我们采用的是单电源供电，把12v的直流电供应电机，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。同时单片机可以间接控制电机的调速。

LM337可调稳压
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述与设计思绪
1、程序功能描述：可以输出精确的角度信息，并运用PWM来高速调节电机的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，形成了一个简朴的系统。

2、程序设计思绪：先是运用角度传感器对风板的角度进行精确的实时显示，运用角度传感器传输的数据对pwm进行控制，使得电机的风速得到控制，最后风速来反馈给角度传感器，形成了一个封闭的反馈使的闭环系统。

4测试方案与测试结果
4.1测试方法与仪器
测试方法：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，实现对程序功能的实现仿真,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、模拟示波器、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，数字显示风板的转角。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度范围变化，并实时显示角度。在完毕规定的同时，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°范围内。规定控制过程在10 秒内完毕，实时显示θ，并由声光提醒，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，其范围为45-135要θ在 15秒内达成设定值，并实时显示θ。最大误差的绝对值不超过5°测试数据如 表3所示：
设定角度(°) 实际角度(°) 风力大小（%） 调整时间（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：在功能一的基础上，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，最大误差的绝对值不超过 5°。测试数据达成规定

4.3测试分析与结论
根据上述测试数据，系统完全符合规定，误差在允许范围内，实现所有功能，有些指标还很高精度。由此可以得出以下结论：
综上所述，本设计达成设计规定。

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围，典型值：0x18(不自检，2023deg/s)
#define ACCEL_CONFIG 0x1C //加速计自检、测量范围及高通滤波频率，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写入时的地址字节数据，+1为读取
//****************************************
//定义类型及变量
//****************************************
uchar dis[4]; //显示数字(-511至512)的字符数组
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相关函数
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); //显示一个字符
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写允许
//****************************************
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写入一个字符
//****************************************
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)
//不同的工作环境,需要调整此函数
//当改用1T的MCU时,请调整此延时函数
//**************************************
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总线发送一个字节数据
//**************************************
void I2C_SendByte(uchar dat)
{
uchar i;
for (i=0; i<8; i++) //8位计数器
{
dat <<= 1; //移出数据的最高位
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总线接受一个字节数据
//**************************************
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设备写入一个字节数据
//**************************************
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设备读取一个字节数据
//**************************************
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_CO