风板控制系统

I风板控制装置摘要以STM32单片机为控制核心设计帆板控制系统，该系统主要由STM32单片机控制模块、按键切换模块、5110液晶显示模块、导电塑料电位器模块、MOS驱动电机模块和直流稳压电源组成。STM32系列单片机内部自带12位精度AD和PWM，运算速度较快，适用于抗干扰和要求速度较高的场合。以PWM开环和PID闭环实现对该系统的控制，减小了系统误差和抖动。经测试，各项功能指标均达到要求，且稳定。关键词：STM32单片机PIDPWMAbstractWithSTM32listslicemachineiscontrolcoredesigntheFanplankcontrolsystem,thesystemmainlyfromSTM32listslicemachinecontrolthemoldpiece,keycutovermoldpiece,5110LCDstoshowamoldpieceandconductelectricitytheplasticselectricpotentialmachinemoldpiece,MOStodrivemoldpieceanddirectcurrentsteadypressthepowertoconstitute.TheSTM32serieslistslicemachineinnerpartfromtake12accuracyADsandPWM,operatespeedmorequick,beapplicabletostronginterferenceandrequestthespeedhighersituation.ThecontrolthatopenswreathandPIDtoshutawreathrealizationtothesystembyPWMletsupasystemerrormarginandtrembles.Throughtest,eachfunctionindexsignallattainsarequest,andstabilizes.1一、系统方案比较与论证根据题目要求，系统分为以下几个部分，各个部分的实现方案选择如下：1．主控器件比较与选择方案一：采用ST公司的STM32（STM32F103C8T6）作为控制核心。它内部集成AD、DA、PWM等丰富的外设，并且运行速度非常快，具有较高的性价比，功耗低，资源丰富，既可以满足作品要求，同时也简化了外部电路。方案二：采用STC12C5A60S2作为主控器件，自带两路PWM调制和10位精度的AD,但是运行速度相对STM32来说比较慢，数据处理的能力远远比不上STM32单片机。综上所述，为简化外围电路设计，提高运行速度，我们选择方案一。2．风机的比较与选取方案一：采用轴流风机。轴流风机的风速比较稳定，均匀，在控制时，要好控制一些。但是轴流风机的风力较弱，风板挂上砝码之后，风板不容易吹动。方案二：采用涡流风机。涡流风机的风力较大，风力集中。但是比较难控制，很难调整好。根据实际测试对比，我们发现用涡流风机的风力太大，很难控制。轴流风机的风力较弱，但是两个风机组合之后，就可以吹起来风板，并且风速稳定，可控性比较高。对比之下，我们选择方案一。3．帆板的材料比较与选取方案一：采用环氧板，环氧板的质量刚好适中，硬度也比较合适。风机的风力大一点就可以吹起来，加砝码之后也不会被压弯。方案二：采用纸板，硬度不好，加上砝码后，很容易弯曲。而且纸板太轻，很难稳定控制。根据以上的方案对比，我们选择方案一。24．角度测量方案比较与确定方案一：采用导电塑料电位器，电阻的范围是0-5K,灵敏度很高，风板轴与该电位器轴连接时，轴的摩擦阻力很小，不会影响到风板的运动。与AD配合实现360度角的采集转换，精度很高，且价格便宜，所需硬件电路很少，编程简单。方案二：采用加速度传感器ADXL345，可以通过计算求出帆板的倾斜角度，但是需要复杂的算法去计算，还有大量的浮点型数据，占用大量的CPU。考虑到要尽量控制好风板的角度，要把CPU省出来，所以我们选择方案一。二、理论分析与计算1.PWM占空比的算法1、求出PWM波形周期T=CPUFrequency/波形频率。2、求出每等份N的计数T/N。3、根据PWM的百分比得出PWM的占空比。2．电机转速控制的算法根据题意要求，在要求中，采用开环控制。在发挥部分，采用闭环控制。为使系统能够快速的响应并调整误差量，减小系统的抖动，提高控制精度，闭环控制回路采用增量式PID控制算法。增量式PID控制算法原理：No(t)+E(t)U(t)—N(t)上图是直流电机的调速系统，给定的转速No(t)与实际的转速N(t)相比较，得出的偏差值E(t)=No(t)-N(t)，经过PID控制器计算后输出控制电压U(t)，驱动电机改变其转速。PID控制器直流电机3连续的时间t上的每一时刻，采用求和的形式代替积分；用增量的形式代替微分，具体的公式如下图：t--kT(k=0,1,2,3,.......)；KjkjtEjTjtETdttE000)()(；TkEETTKEkTEdttdE]1[k])1[()()(；整理可以得到：UEEKEKEKUkKDkjjikpK010)(K:采样序号，k=0,1,........Uk:第k次采样时刻的输出数值Ek：第k次采样时刻输入的偏差值1Ek:第k-1次采样时刻输入的偏差值Kp：比例系数，减少系统偏差Ki：积分系数，TiTKi，消除系统的稳态KD：微分系数，TTKDD反映系统偏差信号的变化率，具有预见性0211011)(1UEETTEjTTEKUKKDKjKPK两式相减并整理得出：21KKKKCEBEAEU11TTTTKADP)2(TTKBDPTTCD程序每隔一段时间采样一次，更新一次kU值，电机的转速将恒定在给定的4转速上，当实际角度不等于设定角度时，通过自动控制PWM进行调节电机转速。三、电路与程序设计根据题目要求，经仔细分析计算，充分考虑各种因素，制定整体制作方案。整体方案以STC单片机为控制核心，对AD采集的数据进行综合分析，作出相应的处理。系统方框图如图1所示。STM32F103C8T6键盘控制声光提示角度传感器电机驱动5110显示图1系统方框图1．电路设计(1)驱动风机电路设计风机的驱动部分利用MOS管驱动电路，可以带动较大电流的风机，单片机IO口产生PWM，经过驱动电路，调控转速。图2MOS驱动电路模块示意图5(2)声光报警电路设计报警电路采用最简单的三极管驱动蜂鸣器电路还有LED电路。图3声光报警电路模块示意图（3）键盘电路设计只要按键的程序写得好，就不需要用矩阵按键，所以我们采用5个独立式按键，用5个I/O口控制5个按键。通过单片机来检测按键的闭合和弹起，该电路简单实用。图4键盘电路模块示意图2．程序设计STM32系列单片机采用C语言进行程序设计，开发调试环境为KileMDK，软件总体设计流程图如下图所示。键值处理按键是否按下获取ADC通道的值初始化是否允许PID调节显示PID调节声光提示开始是否需要PID调节是否声光提示YYNYNNNY6四、系统测试1．测试仪器秒表；量角器。2．测量数据基本要求：(1)预置一个角度测试：预置角度（度）测量角度（度）误差范围（度）过渡时间（秒）停留时间（秒）454508.274.92605917.795.28707337.844.86808118.735.04908828.774.8512012007.865.1613513418.315.23（2）预置两个角度测试：预置角度1（度）预置角度2（度）首次到预置角时间（秒）摆动周期（秒）摆动幅角误差（度）451208.243.722501058.533.51255857.834.291901258.974.3731151307.784.5831201358.063.7627发挥部分：（1）加重物预置一个角度测试：预置角度（度）测量角度（度）误差范围（度）过渡时间（秒）停留时间（秒）4546113.704.796060013.685.198081114.124.819092213.755.09100100013.835.07120121113.794.85135130014.044.97（2）加重物预置两个角度测试：预置角度1（度）预置角度2（度）第一次到预置角时间（秒）摆动周期（秒）摆动幅角误差（度）4513514.245.682507013.535.532558512.934.3939011013.974.3439512014.315.32211513013.784.48212013514.274.8318五、结论系统结构简单，性能稳定，完成了全部基本功能和发挥功能要求实现情况基本要求1起点启动，到预置角度过程不大于10S，稳定5S，终点平稳停下实现基本要求2终点启动，10S内到预置角度一，然后到第二预设角度，在两个预设角度之间做3次摆动，摆动周期不大于5S，误差不大于5度，起点平稳停下实现基本要求3从一个状态到另一状态有声光提示实现发挥功能1加10g重物，起点启动，到预置角度过程不大于15S，稳定5S，终点平稳停下实现发挥功能2加10g重物，终点启动，15S内到预置角度一，然后到第二预设角度，在两个预设角度之间做4次摆动，摆动周期不大于5S，误差不大于5度，起点平稳停下实现9参考文献[1]李建忠.单片机原理及应用.西安：西安电子科技大学出版社，2008.2[2]康华光.模拟电子技术基础第五版.北京：高等教育出版社，2006.1[3]江晓安董秀峰杨公华.数字电路技术.西安：西安电子科技大学出版社，2008.6[4]谭浩强.C语言程序设计(第三版).北京：清华大学出版社，2000[5]潘永雄沙河.电子线路CAD实用教程.西安：西安电子科技大学出版社，2007.7[6]王静霞，单片机应用技术（C语言版），北京：电子工业出版社，2009，210附件1：原理图图15110显示模块示意图图2声光提示模块示意图图3按键模块示意图图4PWM、AD采集模块示意图图5C8T6最小系统板接口示意图图6MOS驱动电路模块示意图11图7STM32F103C8T6原理图