2015电设风力摆控制系统报告 - 图文

引言：本次设计完成制作了一个风力摆控制系统。该系统分为运动检测和控制

两个部分，其中运动检测部分主要检测摆的角度并反馈给控制系统，控制部分主要对检测到的数据进行运算，输出PWM波来控制轴流风机的转速以使风力摆按照一

定规律运动。激光笔在地面画出相应的轨迹。

（1）具体实现了以下竞赛要求：从静止开始，15s 内控制风力摆做类似自由摆运动，使激光笔稳定地在地面画出一条长度不短于50cm 的直线段，其线性度偏差不大于±2.5cm，并且具有较好的重复性；

（2）从静止开始，15s 内完成幅度可控的摆动，画出长度在30~60cm 间可设置，长度偏差不大于±2.5cm 的直线段，并且具有较好的重复性；

（3） 可设定摆动方向，风力摆从静止开始，15s内按照设置的方向（角度）摆动，画出不短于20cm的直线段；

（4）将风力摆拉起一定角度（30°~45°）放开，5s内使风力摆制动达到静止状态。

（5）画出一个半径在15cm到35cm的圆。

1方案论证

1. 1主控模块的论证与选择

方案一：使用MCS—51系列单片机。MCS—51系列单片机是八位单片机，具有价格低廉、操作简单等特点，而且MCS—51系列单片机学习资料比较多，易于自主的学习与掌握，而且这方面的图书和教材比较多，学习资料易于获取。但MCS—51系列单片机运行速度很慢，A/D转换的速度慢，效率低。所有的I/0口都是准双向口，I/0口的驱动能力弱。功耗比较高，抗干扰能力也不是很强。

方案二：使用Freescale MC9S12XS128 单片机。MC9S12XS128 是 16 位单片机，由 16 位中央处理单元、128KB 程序 Flash、8KB RAM、8KB 数据 Flash组成片内存储器。主要功能模块包括：内部存储器 ，内部PLL锁相环模块 ，2 个异步串口通讯 SCI ，1 个串行外设接口 SPI ，MSCAN 模快，1 个 8 通道输入/输出比较定时器模块 TIM ，周期中断定时器模块 PIT，16 通道 A/D 转换模块 ADC ，1 个 8 通道脉冲宽度调制模块 PWM输入/输出数字 I/O 口。完全可以满足风力摆控制系统的设计。

综合以上两种方案，选择方案二。

1.2轴流风机数目的论证与选择

方案一：用两个轴流风机来实现控制。 如图1所示，将两个轴流风机相互垂直成90°摆放，并使其重心在同一直线上。这样可以很

好地控制系统摆直线。也可以控制器摆圆，但达 图1 到所需大小的圆的时间较长。

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方案二：用三个轴流风机来实现控制。 如图2所示，将三个轴流风机互60°摆 放。构成一个等边三棱柱。优点是画圆方便，画圆的速度快，圆的稳定性很好。缺点是控制摆直线时较为困难。

方案三：用四个轴流风机来实现控制。

如图3所示，将四个轴流风机分成两组，每组的两个轴流风机相对放置，构成如图4实物连接图所示的十字形状。用多个轴流风机画直线时可以很快的画出一条较长的直线， 四个轴流风机相互配合可以较快地画出圆形。 综合以上三种方案，选择方案三。

图2

图3 图4

1.3检测模块的论证与选择：

方案一：选用三轴加速度计MMA7361和陀螺仪测量摆在运动过程中的角速度和偏移角度。

方案二：选用六轴加速度计MPU6050测量摆在运动过程中的角速度和偏移角度。

综合分析，我们采用方案一进行检测。三轴加速度计MMA7361和陀螺仪主要用于智能车平衡组的检测。测得的信号是模拟输出，要通过将模拟信号传输给主控芯片，并由主控芯片的AD将模拟信号转为数字信号。而MPU6050主要用于飞行器飞行姿态的检测。在实现摆的角速度和偏移角度检测中，三轴加速度计比六轴加速度计更容易实现。并且MMA7361用于智能车姿态检测更接近于设计要求。

2

2测控方法

2.1状态测量

我们使用三轴加速度计MMA7361和陀螺仪对风力摆的角度和角速度进行测量。当风力摆发生摆动时，加速度计和陀螺仪便会对空间位置的改变量进行实时检测。再通过MMA7361角度和角速度计算公式，将所采集到的数据转化为相应的角度。从而实现对风力摆所偏角度和角速度进行实时检测。

2.2运动控制：

根据从加速度计MMA7361和陀螺仪读取到的角度来控制轴流风机的转动。 利用去轴流风机工作时产生的反作用力将风力摆摆起来一个角度，单片机根据加速度计MMA7361和陀螺仪反馈的数据来控制四个轴流风机的风力大小，使激光笔画出特定的图形。但是轴流风机只能摆起一个很小的角度，于是我们就让轴流风机在风力摆到达最高点时给风力摆方向加速，以此来增加摆的恢复力。轴流风机对风力摆做正功使得风力摆下一次达到的最高点高于前一次的。

基本要求一和二中激光笔沿X轴画直线，若陀螺仪采集到的沿Y轴方向上的角度偏大（或偏小）则开启Y方向上的一个轴流风机来调整风力摆的方向，角度偏差越大单片机所给出的PWM波越大，确保其沿直线摆动。激光笔画圆时也是根据陀螺仪读取到的值来控制相应的轴流风机转动与否和给相应的PWM波。

基本要求三和四和提高要求通过相邻轴流风机流给定不同的占空比，从而实现对方向的确定。通过风机间隔开启实现在给定方向上稳定持久运动。

3系统设计

3.1系统总体设计方案

风力摆以MC9S12XS128单片机为核心控制模块，由矩阵键盘来设定风力摆作什么运动和激光笔画什么样的图形，用陀螺仪来实时检测风力摆的偏角，MC9S12XS128单片机根据陀螺仪检

测到的数据判断是否需要对风力摆作调 图5

整，判断如何给轴流风机PWM信号，以此来控制风力摆的运动。显示模块可以实

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时显示风力摆的角度信息。

3.2电路设计

图6 电机驱动

图7 陀螺仪

4系统测试

4.1测试方法

（1）测试不短于50cm直线

通过矩阵键盘的设定然风力摆画直线，打开电源开关和轴流风机驱动的开关。观察风力摆的运动。并且记录下激光灯多长时间开始画直线和风力摆在5cm长条内重复的次数。

（2）测试激光灯画不等长直线

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通过矩阵键盘的设定然风力摆画不同的直线，打开电源开关和轴流风机驱动的开关。观察风力摆的运动。记录下每次激光灯多长时间开始画直线、所画直线的长度和风力摆在5cm长条内重复的次数。 （3）测试激光灯不同角度直线

通过矩阵键盘的设定然风力摆画不同角度的直线，打开电源开关和轴流风机驱动的开关。观察风力摆的运动。记录下每次激光灯多长时间开始画直线、直线的角度和风力摆在5cm长条内重复的次数。 （4）测试风力摆多长时间停下来

通过矩阵键盘的设定然风力摆为停摆模式，打开电源开关和轴流风机驱动的开关，将风力摆拉起一定角度（30°~45°）放开，记录下风力摆多长时间停下来。 （5）测试激光灯画圆

通过矩阵键盘的设定然风力摆画不同半径的圆，打开电源开关和轴流风机驱动的开关。观察风力摆的运动。记录下每次激光灯多长时间开始画圆、圆的半径和风力摆在5cm圆环内重复的次数。

4.2测试数据

（1）画不短于50cm直线 实验次数 1 2 3 4

时间 10 9 8 9 重复次数 10 13 9 12

（2）画不等长直线 实验次数 1 2 3 4 （3）不同角度直线

实验次数 1 时间 7 6 9 10 长度 70 40 60 30 次数 7 8 5 6 时间 6 角度 0 次数 8 5

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