2015全国大学生电子设计竞赛设计报告模板.doc

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1、2015年全国大学生电子设计竞赛风力摆控制系统（B题）2015年8月15日I摘 要 本参赛小组设计制作了风力摆控制系统，实现了风力摆系统的摆起及画圆控制。该系统主要由机械部分和控制系统构成，其中机械部分包括风机、支架、万向节以及摆杆等；控制部分主要由单片机最小系统、传感器以及直流电机驱动电路组成。该系统以XS128单片机为控制核心，利用陀螺仪检测摆杆偏角，经AD转换构成闭环，采用PD 控制算法，通过PWM对风机进行调速，驱动风力摆装置以调节摆杆的偏角，使风力摆摆起并画圆，实现对风力摆的实时控制。该系统具有结构简单，制作成本低，控制精度较高，抗干扰能力强等优点。关键词：风力摆，陀螺仪，单片机，P

2、WM，PD算法Abstract The team created wind pendulum control system design and implement the wind the swing-up and circle of pendulum control.The system mainly consists of mechanical part and control system, mechanical parts including fan, stents, universal joint, and swinging rod, etc.Control part is mai

3、nly composed of single chip microcomputer minimum system, sensor and the composition of dc motor drive circuit.XS128 single chip microcomputer as control core, the system using the gyroscope detection swinging rod Angle, the AD conversion constitute a closed loop, the PD control algorithm, through t

4、he PWM speed of the fan, wind pendulum device driver to adjust the Angle of swinging rod, and circle the wind sway, but to realize the real-time control for wind pendulum.The system has simple structure, low production cost, high control precision, strong anti-interference ability, etc.Key words: Wi

5、nd, gyroscope, MCU, PWM, PD algorithm目 录一、系统方案31.1 CPU的论证与选择31.2 驱动的论证与选择31.3 控制系统的论证与选择3二、系统理论分析与计算42.1 系统结构的分析42.2 摆动与转速的计算4三、电路与程序设计43.1 电路的设计43.1.1 系统总体框图43.1.2 CPU与驱动子系统框图与电路原理图53.1.3 陀螺仪与风机子系统框图与电路原理图53.1.4 电源63.2 程序的设计63.2.1 程序功能描述与设计思路63.2.2 程序流程图6四、测试方案与测试结果74.1 测试方案74.2 测试条件与仪器74.3 测试结果及分析

6、84.3.1 测试结果84.3.2 测试分析与结论8五、结论与心得10六、参考文献10附录1：电路原理图12附录2：源程序13风力摆控制系统（B题）【本科组】一、系统方案本系统主要由CPU模块、驱动模块、陀螺仪模块、电源模块、风机模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1 CPU的论证与选择方案一：瑞萨R5F100LEA。瑞萨 R5F100LEA芯片虽然具有代码生成快，易操作等优点，但是该芯片片内资源少、代码不够灵活，且队员对该芯片的使用并不熟练，同时题目没有限制控制芯片的型号，故不采用此方案。方案二：STM32F103。STM32F103系列芯片具有功耗低、片内资源丰富等优点，但是该芯片

7、使用不够灵活，操作复杂，故也不采用此方案。方案三：XS128。S12 MCU是功能丰富的入门级器件，具备可扩展性和高性能。S12X MCU具备容量更大的存储器选项并集成了XGATE协处理器，可提供更高的性能或仿真外设模块。综合以上三种方案，选择方案三。1.2 驱动的论证与选择方案一：MOS管。MOS管在电压控制方面其控制方式比较方便；输入电阻高，噪声低，热稳定性好。但对静电比较敏感，容易被静电击穿。方案二：L298N。L298N可直接接至12v，它有较强的驱动能力。方案三：BTS7960。它是半桥驱动芯片，需要2个芯片来驱动一个电机，电流最高可达43A，其内阻很小，散热好，实用性好。综合以上三

8、种方案，选择方案三。1.3 控制系统的论证与选择方案一：采用模糊控制算法，模糊控制算法有许多优良的特性，它不需要事先知道对象的数学模型。具有系统响应快、超调小、过渡过程时间短等优点。但是它的编程复杂，数据处理量大。方案二：采用PID算法，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，然后将其运算结果用以输出控制。优点是控制精度高且算法简单明了。对于本系统的控制已足够精确，节约了单片机的资源与运算时间。综合比较以上两种方案，本系统采用方案二。二、系统理论分析与计算2.1 系统结构的分析 （1）系统理论：通过对题目要求的分析，这是一个对全开环系统的控制，需要控制的是摆杆的角度，而摆杆的角度是通过控制轴流风

9、机的转速产生空气推力来间接控制的。为了使激光笔绘制的轨迹超过50cm，我们就需要控制摆杆的倾角超过一个阈值，这个阈值可以直接计算出来，然后，通过简单的开环调节，从低到高不断增加X轴方向轴风流机的转速，直到倾角超过阈值记录下相应的PWM脉宽作用时间，便可轻易实现。（2）系统摆动角度：系统摆动的角度大小可以通过加速度计得到，通过一定的比例控制，将得到的角度值反馈到系统中，从而达到闭环控制的效果。（3）系统摆动角速度：系统摆动的角速度可以通过陀螺仪来得到。2.2 摆动与转速的计算 （1）摆动角度：通过分析，可以明确，径向风机控制采用PID控制算法，使摆杆控制在某一设定的角度上。切线方向控制B、D电机

10、产生推力，推动摆杆做圆周运动。（2）风机转速：通过实际反复测量，根据输出PWM占空比与转速成线性关系原理，来实现风机的转速控制。三、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1所示图1 系统总体框图3.1.2 CPU与驱动子系统框图与电路原理图1、CPU子系统框图图2 CPU子系统框图2、驱动子系统电路图3 驱动子系统电路3.1.3 陀螺仪与风机子系统框图与电路原理图1、陀螺仪子系统框图图4 陀螺仪子系统框图2、风机子系统电路图5 风机子系统电路3.1.4 电源电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简

11、单，都采用LM2576实现，故不作详述。3.2 程序的设计3.2.1 程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。1）键盘实现功能： 2）显示部分： 2、程序设计思路3.2.2 程序流程图1、主程序流程图等待中断发生开定时器中断引脚及功能初始化2、摆动角度子程序流程图PWM输出子程序 陀螺仪 积分K1 比例加速度计 1/Tg 四、测试方案与测试结果4.1 测试方案（1）硬件测试：风机根据东西南北的方位分为上下左右，当需要风力摆沿着相应直线摆动时，只需左右风机按一定转速转动。由于电机本身误差和风力及其他外界误差的影响，风力摆会前后晃动。（2）软件仿真测试（

12、3）硬件软件联调：调试时，下载线连接单片机，以便程序执行后实时观测控制算法中多个变量，比如摆杆方向，角度，电机速度以及加速度。通过拨码开关来决定运行不同的程序，以实现不同的功能。相互功能之间没有干扰。实现另一个功能需要单片机复位后重新运行。记录下每次实现不同功能的性能指标。4.2 测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。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，风速仪。4.3 测试结果及分析4.3.1 测试结果2V档信号测试结果好下表所示：（单位/V）信号值0.20500.21000.20450.4

13、0261.0071.5421.6691.999显示0.20510.21000.20440.40261.0061.5421.6691.9994.3.2 测试分析与结论根据上述测试数据，XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX，由此可以得出以下结论：1、2、3、综上所述，本设计达到设计要求。五、结论与心得通过这次比赛，我们受益匪浅。学习到了很多全新的知识，对PID算法以及角度传感器有了跟多的了解和认识。在制作的过程中，我们也遇到了很多难题。比如一开始就遇到了硬件选择的难题:电动机型号的选择，为此我们一开始就耗费了大量的时间。后来又因为组建和检修硬件，导致时间更加紧张。硬件完善后在

14、软件的调试时风力摆的稳定性让我们遇到了很大的挑战。反复的尝试、实验，再修改耗费了我们大量的时间和精力。但我们相互鼓励安慰，从不放弃，努力找出原因，突破难点，一步一步走出困境。这四天三夜，有遗憾同样也有收获。我们体验到了团队的力量，沟通的重要以及遇到困难不退缩迎难而上的宝贵精神。最后感谢学校以及全国大学生电子设计竞赛组委会给我们提供这么优秀的平台和机会。六、参考文献1谭浩强.C语言程序设计M. 北京:清华大学出版社,20122 马潮.ATmega8原理及应用手册M. 北京:清华大学出版社,2003,3.3 吴双力.AVR-GCC与AVR单片机c语言开发M. 北京:北京航空航天大学出版社,2004

15、,10.4 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,2009.5 阎石.数字电子技术基础（第五版）M.北京:高等教育出版社,2009.3黄智伟,王彦,陈文光等.全国大学生电子设计竞赛训练教程M.北京:电子工业出版社,2007.6 高吉祥,唐朝京.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程（电子仪器仪表设计）M.北京:电子工业出版社,2007.7 张友德、赵志英、涂时亮.单片微型机原理、应用与实践（第五版）M.上海：复旦大学出版社，2009.8 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，2009.9 梁明理.电子线路（第五版）M.北京：高等教育出版社，2008.附录1：电路原理图12附录2：源程序