2015全国大学生电子设计竞赛设计报告模板

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，PWM，PD算法AbstractTheteamcreatedwindpendulumcontrolsystemdesignandimplementthewindtheswing-upandcircleofpendulumcontrol.Thesystemmainlyconsistsofmechanicalpartandcontrolsystem,mechanicalpartsincludingfan,stents,universaljoint,andswingingrod,etc.Controlpartismainlycomposedofsinglechipmicrocomputerminimumsystem,sensorandthecompositionofdcmotordrivecircuit.XS128singlechipmicrocomputerascontrolcore,thesystemusingthegyroscopedetectionswingingrodAngle,theADconversionconstituteaclosedloop,thePDcontrolalgorithm,throughthePWMspeedofthefan,windpendulumdevicedrivertoadjusttheAngleofswingingrod,andcirclethewindsway,buttorealizethereal-timecontrolforwindpendulum.Thesystemhassimplestructure,lowproductioncost,highcontrolprecision,stronganti-interferenceability,etc.Keywords:Wind,gyroscope,MCU,PWM,PDalgorithmII目录一、系统方案...................................................................................................................................31.1CPU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.........................................................................................................43.1.2CPU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................................................................................................................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..............................................................................................................................133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。1.1CPU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，但是该芯片使用不够灵活，操作复杂，故也不采用此方案。方案三：XS128。S12MCU是功能丰富的入门级器件，具备可扩展性和高性能。S12XMCU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。4综合比较以上两种方