电子设计大赛 风板控制系统.docx

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1、电子设计大赛 风板控制系统 风板控制装置报告 班级：541332 学号：31 姓名：贾好 专业：机电一体化 2022年10月20日 摘要 本系统以MSP430单片机为控制核心，通过PID算法，实现了对风板的控制。系统主要由电源模块、角度测量模块、电机驱动模块、显示模块、键盘模块和声光模块等构成。通过PID反馈输出PWM来改变直流风机风力大小，使风板转角根据需求变化。加速度传感器MPU6050检测风板位置的变化，并将风板角度在LCD 液晶器上显示，同时单片机对采集的数据进行分析，实时调整PWM输出，通过驱动芯片L298N控制风机风速，使风板达到稳定的状态，并带有相应的声光提醒功能,使系统人性化，

2、经过反复测试，达到了设计要求。 关键词：MSP430;PID;PWM;直流风机;MPU6050 1 系统方案 本系统主要由主控模块、角度检测模块、电机驱动模块、显示模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。 1.1主控模块的论证与选择 方案一：采用传统8位的51单片机作为该系统的控制核心。经典51单片机具有价格低廉，使用简单等特点，但其存在外设I/O端口较少，运算速度低，功能单一，不稳定等缺点。 方案二：采用 TI 公司所生产的 MSP430F149 单片机为主控制芯片，运算速度快，超低功耗，有非常丰富的片内资源，性价比高。 综合比较以上两个方案，选择TI公司生产的430芯片，在低功耗

3、方面有显著的优势，处理数据快，且其片内资源丰富，满足系统设计需求。 1.2角度检测模块方案论证 方案一：采用模拟三轴加速度计MMA7260, MMA7260QT是检测物件运动和方向的传感器，它根据物件运动和方向改变输出信号的电压值。通过A/D转换器读取输出信号，检测其运动和方向。 方案二：采用mpu6050传感器可准确追踪快速与慢速动作，并且可调整感测范围，可快速、直接将检测信号给控制器。 控制帆板角度是个快速处理的过程，方案一还需采集电路对AD进行采集转化为数字量，综合考虑选择方案二。 1.3电机驱动模块 本设计的主要目的在于控制风机的转速，因此电机驱动模块是必不可少，其方案有以下两种。 方

4、案一：采用大功率晶体管组合电路构成驱动电路，这种方法结构简单，成本低、易实现，但由于在驱动电路中采用了大量的晶体管相互连接，使得电路复杂、抗干扰能力差、可靠性下降，我们知道在实际的生产实践过程中可靠性是一个非常重要的方面。因此此中方案不宜采用。 方案二：采用专用的电机驱动芯片，例如L298N、L297N等电机驱动芯片，由于它内部已经考虑到了电路的抗干扰能力，安全、可靠行，所以我们在应用时只需考虑到芯片的硬件连接、驱动能力等问题就可以了，所以此种方案的电路设计简单、抗干扰能力强、可靠性好。设计者不需要对硬件电路设计考虑很多，可将重点放在算法实现和软件设计中，大大的提高了工作效率。 基于上述理论分

5、析和实际情况，电机驱动模块选用方案二。 1.4 显示模块方案 方案一：选用常见的数码管显示，成本低，只能显示简单的字符和数字。显示位数较多时，轮番扫描占用CPU时间。 方案二：选用12864显示屏做显示。12864的显示为128x64，显示面积大，数字和汉字显示容易实现，程序要求不是很高，更加方便。 方案三：用彩屏做显示。彩屏显示效果好，但成本高，功耗大，编程设计相对繁琐。 由于系统显示信息量较多，对比所述方案，选择12864作为系统显示器。1.5电源模块方案 电源是任何系统能否运行的能量来源，本系统中电源模块为主控制器、电机驱动、角度检测模块等提供电源。 方案一：通过电阻分压的形式将整流后的

6、电压分别降为控制芯片和电机运行所需的电压，此种方案原理和硬件电路连接都比较简单，但对能量的损耗大，在实际应用系统同一般不宜采用。 方案二：通过固定芯片对整流后的电压进行降压、稳压处理（如7812、7805等），此种方案可靠性、安全性高，对能源的利用率高，并且电路简单容易实现。 根据系统的具体要求，采用方案二作为系统的供电模块。 2.系统理论分析与计算 2.1角度确定 风板运动过程中需要实时检测角度的变化，通过计算加速度传感器传回的数据，可以测得风板的角度，加速度与角度存在如下关系： 2.2风速控制 风速的快慢直接决定了系统风板角度的大小。通过pid调节,单片机输出PWM 波形，可对风板进行快速

7、、准确的调整。 通过不断调整P(比例)、I(积分)、D（微分）值，系统的稳定性得到明显的提高，响应时间也加快了。由各个参数的控制规律可知，比例P使反应变快，微分D使反应提前，积分I使反应滞后。在一定范围内，P，D值越大，调节的效果越好。 3.电路与程序设计 3.1硬件电路设计 系统总体框图如图3.1所示。 图 3.1系统总体框图 3.1.1单片机最小系统设计 MSP430F149单片机，其最小系统包括电源电路、复位电路、时钟电路，具体电路设计如图3.2所示。 图3.2 最小系统原理图 3.1.2 角度测量设计 本系统中要实时监控风板的角度，系统采用mpu6050传感器,通过计算可迅速得出测量的

8、角度，从而反馈给单片机进行相应操作。 3.1.3 显示模块设计 本系统采用LCD12864作为显示，模块电路图如图 3.3所示。 图 3.3 LCD12864电路图 3.1.4直流风机驱动 电机驱动芯片L298N内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器。L298可驱动2个电机，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。利用单片机产生PWM信号接到ENA，ENB端子，对电机的转速进行调节。电机驱动电路如图3.4所示。 图3.4电机驱动 3.1.5供电系统电路 在

9、电子电路及设备中，一般都需要稳定的直流电源供电。小功率的稳压电源的组成如图3.5所示，它由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。直流稳压电源电路如图3.6所示。 图 3.5直流稳压电路工作原理 图 3.6 LM2596可调电源模块 3.2程序设计 3.2.1程序功能描述 根据设计要求，软件部分主要实现风机转速控制以及声光报警与液晶显示。 （1）风机转速控制部分：在键盘按下设定风板的角度后，风板15s内处于指定位置并稳定5秒以上，上下波动不超过5度，根据传感器测出的距离通过PID 算法调整风机转速来调整风板的位置。 （2）键盘设置部分：在键盘按下后，风机作出相应转速，风板达到指定位

10、置。（3）液晶显示部分：液晶器显示风板位置及维持时间。 3.2.2程序设计思路 系统程序主要由角度检测部分，PID调节部分和显示部分组成。设定需求角度，通过获取测量角度值来反馈给单片机，单片机做出相应的PWM调节,从而达到需求的角度。同时液晶将对实时采集的角度和按键值信息进行显示。 3.2.3程序流程图 程序总体流程图如图3.7所示，PWM控制流程图如图3.8所示，12864液晶显示电路流程图如图3.9所示。 图 3.7 程序主流程图图3.8 PWM控制电路图3.9 12864液晶程序流程图4系统测试 4.1测试仪器 高精度的数字毫伏表、模拟示波器、数字示波器、数字万用表、指针式万用表、量角器

11、、秒表。 4.2测试方案 1、硬件测试 对各个模块进行测试，测试通过后使用。 2、软件仿真测试 对程序的错误和不能正确实现的部分进行调节和改正。 3、硬件软件联调 对整体功能的实现进行进一步调节。 4.3 测试结果及分析 4.3.1测试结果 a. 风板实际角度与角度传感器角度比较 b.风板角度与pwm关系如表4.2所示。 4.3.2测试分析与结论 根据上述测试数据，随着PWM的增加，风机的风速逐渐加大，风板设定的角度能维持35s，由此可以得出以下结论： 1、风机的转速可通过PWM调控且成正比关系。 2、风板实际角度与传感器检测的角度误差1度，当稳定时，角度误差小于5度波动，符合系统要求。 综上

12、所述，本系统达到设计要求。 5 设计总结 不说我们在电赛中学到的新知识是多么有价值，也不用说它拓宽了多少我们的眼界，只是说它让我们的能力得到提高就已足以成为我们努力付出的回报。 在这四天三夜的奋战中，遇到过很多困难，搭载硬件时，由于对量角器安装角度有误差，导致软件校准时存在较大误差，经过仔细排查，不断改变方案，最终解决了问题。软件调试时，PID参量设置成了最头疼的问题，过大调整系统波动较大，过小调整风板很难达到预设角度。功夫不负有心人，两天的幸苦没有白费，当风机稳定的转动到达预设角度时，喜悦之情难以言表。理论与现实总是用通过实践联系起来的，我们在这次比赛中不再是局限于课本或是参考资料中的理论知

13、识，而是把所有的实验都按部就班的做过，并通过实验结果对所理解的知识进行了加强巩固，更是对原来的理解偏差进行了改正，使我们对平时所学的课程更加透彻。当然，我们自己动手焊接了不少硬件电路，用到了大量的基础知识，还把实习中学到的焊接技术，对以前的知识进行了一次整合。再来，它增强了我们的沟通能力。合作精神是一个团队成立成长的根本所在，我们组的队员从第一个合作项目起就十分的团结，大家各有分工，共同讨论，为我们日后的工作能力打下了基础。 这次大赛给予了我们很多，通过这次比赛大家一起交流学习，互帮互助，增强了合作意识。老师们的帮助让我们感觉老师不再仅仅是一个指导者，更像一个家长带领我们成长，让我们跟老师之间

14、的关系更加的紧密。最后，我们衷心感谢我们的指导老师，也祝愿此次大赛圆满成功！ 附录1：源程序 #include #include PID.h #define P_DATA 0.5 #define I_DATA 0 #define D_DATA 0 typedef struct PID int SetPoint; /设定目标 Desired Value long SumError; /误差累计 double Proportion; /比例常数 Proportional Const double Integral; /积分常数 Integral Const double Derivative; /

15、微分常数 Derivative Const int LastError; /Error-1 int PrevError; /Error-2 PID; static PID sPID; static PID *sptr = &sPID; void IncPIDInit(int target) sptr-SumError = 0; /误差的累加 sptr-LastError = 0; /Error-1 sptr-PrevError = 0; /Error-2 sptr-Proportion =P_DATA; /比例常数 Proportional Const sptr-Integral =I_DAT

16、A; /积分常数 Integral Const sptr-Derivative =D_DATA; /微分常数 Derivative Const sptr-SetPoint =target; /目标 /增量式 PID 控制设计 void PID_dat(unsigned int target) sptr-SetPoint =target; /目标 int IncPIDCalc(int NextPoint) register int iError, iIncpid; /当前误差 iError = sptr-SetPoint - NextPoint; /增量计算 iIncpid = sptr-Pro

17、portion * iError /Ek 项 - sptr-Integral * sptr-LastError /Ek1 项 + sptr-Derivative * sptr-PrevError; /Ek2 项 /存储误差，用于下次计算 sptr-PrevError = sptr-LastError; sptr-LastError = iError; /返回增量值 return(iIncpid); /位置式 PID 控制设计 unsigned int LocPIDCalc(int NextPoint) register int iError,dError; iError = sptr-SetPoint - NextPoint; /偏差