风板控制设计报告.doc
《风板控制设计报告.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《风板控制设计报告.doc(47页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、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
2、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11.1 角度测量方案选择11.2 风扇控制方案选择21.3显示方案选择21.4控制器方案选择22系统理论分析与计算32.1 风扇调试原理32.2角度测量原理32.3 PID控制算法的分析33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角度检测电路43.1.3 风扇驱动电路53.1.4按键及显示电路53.1.5电源电路63.2程序的设计63.2.1程序功能描述与设计思绪63.2.2程序流程图64测试方案与测试结果74.1测试方法与仪器
3、74.2测试过程及数据74.3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 = gsin,Ay
4、=gcos 。则=tan即 =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
5、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,
6、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
7、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
8、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
9、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,
10、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=t1T,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=t1T -占空比。 由此可见,当我们改变占空比D:t1T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
11、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
12、,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
13、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.
14、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
15、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K
16、eil 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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 控制 设计 报告
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【人****来】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【人****来】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。