风板控制方案设计方案报告.doc

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
#include //Keil library
#include h> //Keil library
#include
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;iLCM(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