簡易風洞模擬控制系統(tǒng)報告

1、簡易風洞模擬控制系統(tǒng) 組員：高明達 田新興 闞亞進摘要 本帆板控制系統(tǒng)由單片機ATMEGA328作為帆板轉(zhuǎn)角的檢測和控制核心，實現(xiàn)按鍵對風扇轉(zhuǎn)速的控制、調(diào)節(jié)風力的大小、改變帆板轉(zhuǎn)角、液晶顯示等功能。引導方式采用角度傳感器感知與帆板受風力大小的轉(zhuǎn)角的導引線。通過PWM波控制電機風扇風力的大小使其改變帆板擺動的角度。風扇控制核心采用L298電機驅(qū)動模塊，用ATMEGA328單片機為控制核心，產(chǎn)生占空比受數(shù)字PID算法控制的PWM脈沖，實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速的控制，同時利用光電傳感器將電機速度轉(zhuǎn)化成脈沖頻率反饋到單片機中，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，達到轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)的目的。MMA7455三軸加速傳感器把角度輸出

2、信號傳送給ATMEGA328單片機進行處理。 關(guān)鍵詞： ATMEGA328，MMA7455，PWM波，PID算法SummaryThe system uses MSP430F149 SCM as the core control system; to stepper motor control flat turns, broken down by drive enhanced stepper motor precision; MMA7361 angle sensor chip module, acquisition of freedom pendulum displacement angle a

3、nd 12,864 LCD display; controlled by photoelectric sensor plate where you stopped, Flat tilt angle happens to meet flat force on coin (supporting force and friction force) happen to provide the components of the coin horizontally in transverse acceleration force required; electromagnets are used to

4、automatically free up swing. According to the foot of the step motor (1.8 °/STEP), precise control of stepping motor rotation corresponding steps. The system layout is reasonable, theoretical possible, actually run more smoothly, high control precision, meets the requirements of topics essentia

5、l parts.Keywords: freedom pendulum .angle measurement. divided. driving balance control目錄一、系統(tǒng)方案21.1方案選擇與對比21.1.1角度測量方案21.1.2驅(qū)動電機方案21.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2二、系統(tǒng)理論分析與計算32.1平板轉(zhuǎn)一周的控制原理分析32.2硬幣不滑落控制原理分析4三、硬件模塊設(shè)計與分析43.1控制電路43.2角度測量電路53.3步進電機及驅(qū)動電路53.4控制按鍵及模式轉(zhuǎn)換電路63.5光電傳感電路63.6顯示電路7四、軟件程序設(shè)計74.1系統(tǒng)主流程圖74.2各模塊程序流程圖8五測量方案與測試結(jié)果9

6、5.1測量方案95.1.1基本要求功能測試95.2測試結(jié)果及分析9實驗總結(jié)10參考文獻11附件一：電路原理圖12附件二：主要器件清單12附件三：源程序13一、系統(tǒng)方案1.1方案選擇與對比1.1.1電源的設(shè)計方案論證與選擇 系統(tǒng)需要多個電源，ATMEGA328、L298、MMA7455都使用5V的穩(wěn)壓電源，電機驅(qū)動需要24V電壓。 方案一、采用LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，能夠輸出3A的輸出電流，同時具有很好的線性和負載調(diào)節(jié)特性，固定輸出3.3V、5V、12V經(jīng)過調(diào)整可輸出小于37V的電壓。 方案二、采用升壓型穩(wěn)壓電路。用兩片MC34063芯片分別將3V的電池電壓進行直流斬波調(diào)壓，得到5V和12V

7、的穩(wěn)壓輸出。只需使用兩節(jié)電池，既節(jié)省了電池，又減小了系統(tǒng)體積重量，但該電路供電電流小，供電時間短，無法是相對龐大的系統(tǒng)穩(wěn)定運作。 方案三、采用三端穩(wěn)壓集成7805與7824分別得到5V與24V的穩(wěn)壓電壓。利用該方法方便簡單，工作穩(wěn)定可靠。 綜上所述，選擇方案三，采用三端穩(wěn)壓電路。1.1.2角度傳感器的設(shè)計方案論證與選擇 方案一、采用WDS35D4精密導電塑料角位移傳感器，利用該傳感器的輸入端加上一個直流電壓，在輸出端得到一個直流電壓信號，把角度位移的機械位移量轉(zhuǎn)化成電壓信號，用輸出電壓進行角度位移的控制。用此傳感器只要測量導軌電阻兩端的直流電壓，不同的角度有不同的電阻值，通過電阻來算出角度，計

8、算不方便。電刷在導軌上移動獲得輸出，數(shù)值越小，精度越高。該傳感器的優(yōu)點： 對環(huán)境條件要求低，線性精度高、分辨率高、動態(tài)的噪聲小等優(yōu)點，由于該傳感器的各項精度都比較精細使其價格過高。 方案二、采用電位器進行調(diào)角：帆板轉(zhuǎn)動時電位器跟著轉(zhuǎn)動，電壓隨之發(fā)生變化，通過電壓的值轉(zhuǎn)換成角度值。但扭力過大，而且精度也不高。 方案三、采用MMA7455三軸加速度傳感器，利用物體運動和方向改變輸出信號的電壓值，把檢測到的信號傳送給ATMEGA328的AD轉(zhuǎn)化器進行轉(zhuǎn)化與讀取此輸出信號。通過不同的角度，X、Y、Z三個方向的加速度輸出不同，將電容值的變化轉(zhuǎn)化為電壓值，電容值的計算公式是：C=Ae/D，其中A是極板的面

9、積，D是極板間的距離，e是電介質(zhì)常數(shù)，再用反正弦函數(shù)把角度算出來，計算比較方便。該傳感器的優(yōu)點：線性精度高、體積小、工作可靠、標識清晰、擴展性好等優(yōu)點。 綜上所述，選擇方案三，用MMA7455三軸加速傳感器。 1.1.3顯示方式的選擇 方案一、采用LED數(shù)碼管顯示。使用數(shù)碼管動態(tài)顯示，由于顯示的內(nèi)容較少，給人的視覺沖擊不怎么的舒適，具有亮度高、工作電壓低功耗小、易于集成、驅(qū)動簡單等優(yōu)點。但在此次設(shè)計中需要設(shè)定的參數(shù)種類多，使用LED數(shù)碼管不能完成設(shè)計任務(wù)，不宜采用。 方案二、采用字符型LCD顯示?？梢燥@示英文及數(shù)字，利用程序去驅(qū)動液晶 顯示模塊，設(shè)計簡單，且界面美觀舒適，耗電小。 綜上所述，選

10、擇方案二，用字符型LCD進行顯示。 1.1.4帆板的設(shè)計方案論證與選擇 方案一、采用電路板作為帆板。根據(jù)設(shè)計需要的要求，電路板需做成寬：10cm，長：15cm；在所擁有的風扇下采取電路板作為帆板，很難滿足設(shè)計所需達到的角度?？紤]風力的大小和自身重力，不宜采用。 方案二、采用泡沫作為帆板。泡沫的體積太輕，很容易滿足設(shè)計所需要的角度，缺點：泡沫的穩(wěn)定性不高，干擾成分太多?？紤]不穩(wěn)定性的因素太多此方案不宜采用。 方案三、采用鋁板作為帆板。經(jīng)過多次實驗：鋁板可以作為帆板使用，能過達到設(shè)計所需要的要求，而且鋁板的穩(wěn)定性比較好，抗干擾能力強，受干擾的成分比較小。 綜上所述，選擇方案三，用鋁板作為帆板使用。

11、 1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)過方案比較與論證，最終確定的系統(tǒng)組成框圖如圖1.1.1所示。其中的集成電路ATMEGA328單片機驅(qū)動液晶顯示模塊、控制電機驅(qū)動改變風扇風力的大小從而改變帆板的角度，角度傳感器把接收到的輸出信號傳送給ATMEGA328單片機進行處理再更新顯示。系統(tǒng)框圖如圖：角度傳感器控制按鍵功能切換鍵光電傳感器步進電機平板轉(zhuǎn)動單片機LED顯示圖1：系統(tǒng)框圖二、系統(tǒng)理論分析與計算PID算法： 由于單片機的處理速度和RAM資源的限制，一般不采用浮點數(shù)運算，而將所有參數(shù)全部用整數(shù)，運算到最后再除以一個2的N次方數(shù)據(jù)（相當于移位），作類似定點數(shù)運算，可大大提高運算速度，根據(jù)控制精度的不同要求，當精度

12、要求很高時，注意保留移位引起的“余數(shù)”，做好余數(shù)補償。 遇限消弱積分：一旦控制變量進入飽和區(qū)，將只執(zhí)行削弱積分項的運算而停止進行增大積分項的運算。具體地說，在計算Ui時，將判斷上一個時刻的控制量Ui-1是否已經(jīng)超出限制范圍，如果已經(jīng)超出，那么將根據(jù)偏差的符號，判斷系統(tǒng)是否在超調(diào)區(qū)域，由此決定是否將相應偏差計入積分項 積分分離法：在基本PID控制中，當有較大幅度的擾動或大幅度改變給定值時， 由于此時有較大的偏差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，故在積分項的作用下，往往會產(chǎn)生較大的超調(diào)量和長時間的波動。特別是對于溫度、成份等變化緩慢的過程，這一現(xiàn)象將更嚴重。為此可以采用積分分離措施，即偏差較大的時，取消積分

13、作用；當偏差較小時才將積分作用投入。 離散化公式：u(t) = q0e(t) + q1e(t-1) + q2e(t-2) 當|e(t)|時 q0 = Kp(1+T/Ti+Td/T) q1 = -Kp(1+2Td/T) q2 = Kp Td /T 當|e(t)|時 q0 = Kp(1+Td/T) q1 = -Kp(1+2Td/T) q2 = Kp Td /T u(t) = u(t-1) + u(t) 微分控制對系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動態(tài)特性，偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較短。偏小時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長。只有合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時間。 由于快速傅立葉變換FFT算法設(shè)

14、計大量的浮點運算，由于一個浮點占用四個字節(jié)，所以要占用大量的內(nèi)存，同時浮點運算時間很慢，所以采用普通的8位MCU一般難以在一定的時間內(nèi)完成運算，所以綜合內(nèi)存的大小以及運算速度，采用32位的單片機ATMEGA328，它擁有較大的RAM，并且時鐘頻率高達16M，所以對于浮點運算不論是在速度上還是在內(nèi)存上都能夠很快的處理。三、硬件模塊設(shè)計與分析3.1風扇控制電路 風扇控制電路主要是由ATMEGA328、L298電機驅(qū)動模塊組成。L298電機驅(qū)動 模塊主要由放大電路、OPAMP運算放大電路、電機驅(qū)動組成。用電阻和電容組成高通濾波電路，用單片機控制達林頓管使之工作在開關(guān)狀態(tài)，通過調(diào)整輸入脈沖的占空比，調(diào)

15、整電機轉(zhuǎn)速。用L298驅(qū)動兩臺直流減速電機的電路引腳A,B分別用PWM控制。如果電機運動則可將IN1，IN2和IN3，IN4兩對引腳分別接高低電平，僅用單片機的兩個端口給出PWM 信號控制A,B即可。特點： 工作電壓高，可以達到46V；輸出電流大，瞬間峰值可達3A，持續(xù)工作電流2A；額定功率25W。當步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步，兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)的越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速，從而控制了風扇的風力的大小。L298電機驅(qū)動的特點：可以實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)及調(diào)速、啟動轉(zhuǎn)矩大。 圖:3.2角度測量電路 MMA7455三

16、軸加速傳感器是檢測物體運動和方向的傳感器，它根據(jù)帆板運動和方向改變輸出信號的電壓值。當帆板受到風扇風力運動時，三軸加速傳感器檢測到帆板運動的輸出信號，把該輸出的電壓值用三角函數(shù)數(shù)出來在把結(jié)果送往ATMEGA328單片機進行處理，通過按鍵控制與液晶顯示屏進行顯示。MMA7455三軸加速傳感器如圖：圖3：加速度傳感器原理圖3.4控制按鍵及模式轉(zhuǎn)換電路系統(tǒng)利用模式轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)工作狀態(tài)的切換，并設(shè)置了相關(guān)按鍵，分別實現(xiàn)電源、啟動等控制。3.5光電傳感電路我們在擺桿和平板垂直的位置加上了一個ST188的光電傳感器，減少由于角度傳感的延時和誤差導致平板和擺桿垂直的時間和角度，更好的讓擺桿和平板達到垂直位置

17、。電路原理圖如下：圖5：光電傳感器原理圖3.6顯示電路我們通過液晶12864ST7920連接到單片機顯示角度的變化。電路原理與如下：圖6：液晶顯示電路原理圖四、軟件程序設(shè)計4.1系統(tǒng)主流程圖圖7：系統(tǒng)主流程圖我們用按鍵來實現(xiàn)多個子程序的轉(zhuǎn)換，使總程序邏輯更加清楚?？偝绦蚋奖砣o出。4.2各模塊程序流程圖 圖8：應用一程序流程圖 圖9：應用二的程序流程圖 五測量方案與測試結(jié)果5.1測量方案5.1.1基本要求功能測試1、平板旋轉(zhuǎn)一周控制測試方法及測試數(shù)據(jù)在擺桿上對應平板的位置貼上角度標尺，方便觀察平板旋轉(zhuǎn)角度。系統(tǒng)測量的擺桿角度實時在液晶上顯示，在擺桿的后方平行位置放一量角尺，先將擺桿拉至一定角度

18、，對比液晶上顯示的角度值，經(jīng)多次實驗，證明液晶上顯示的角度值可以用來作為實際值，進行后面的測試。擺桿垂直靜止時，手動調(diào)整平板使其水平，然后將擺桿推至一定角度，啟動系統(tǒng)并放開擺桿讓其自由擺動。軟件檢測到擺桿擺動一個周期時，控制步進電機停止轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)停止工作，擺桿回到垂直靜止時觀察平板傾斜角度，從而得到擺桿擺一個周期時平板旋轉(zhuǎn)一周的誤差。同理控制擺桿擺動26個周期時，分別觀察平板的旋轉(zhuǎn)誤差。2、硬幣不滑落控制測試方法及測試數(shù)據(jù)將擺桿拉至一定角度，調(diào)整平板角度，在平板中心穩(wěn)定放置一枚1元硬件，啟動后放開擺桿讓其自由擺動。6個擺動周期后停止系統(tǒng)運行，用直尺測量硬幣偏移距離并記錄。改變擺桿擺動時的初始角

19、度。同理在平板中心穩(wěn)定放置8枚1元硬件，分角度進行8次實驗。5.2測試結(jié)果及分析表1：平板旋轉(zhuǎn)控制測試數(shù)據(jù)擺動初始角度（°）擺動周期數(shù)（周）平板旋轉(zhuǎn)誤差（°）擺動初始角度（°）擺動周期數(shù)（周）平板旋轉(zhuǎn)誤差（°）151445131527452815311453121541545415155184551930155014302750273031250312304155041530519505194014601440276027403116031140416604164051960520表2：一枚硬幣滑離中心的數(shù)據(jù)次數(shù)12345678角度30°33&

20、#176;35°39°40°41°43°45°滑動距離（cm）0.30.30.40.50.60.60.70.8誤差分析：由實驗測試結(jié)果可以看出，當擺桿起始角度由30°到45°逐漸增大時，硬幣滑離中心位置的距離越大（在實驗允許的誤差之內(nèi)），這符合理論分析的結(jié)果且符合實際生活規(guī)律，達到了預期的實驗效果。表3：8枚硬幣滑離中心和掉落的數(shù)據(jù)次數(shù)12345678角度45°48°49°52°53°56°57°60°滑動距離（cm）0.30.40.5

21、1.20.60.82.81.0跌落數(shù)目20010012誤差分析：由實驗測試結(jié)果可以看出，當擺桿起始角度由45°到60°逐漸增大時，最底層硬幣滑離中心位置的距離越大，當硬幣發(fā)生跌落時，相應的最底層硬幣滑離中心位置的距離也很大，這一結(jié)果符合理論分析的結(jié)果。實驗總結(jié) 通過這次設(shè)計的經(jīng)歷，我們團隊有了更深的配合和默契，在設(shè)計過程中，我們遇到一個一個的困難，通過一次的學習和討論，我們克服了很多問題，在電路設(shè)計、軟件調(diào)試及機械組裝等方面得到了很好的鍛煉，提高了獨立思考、自學知識等多方面的能力，更意識到團隊合作和理論實踐結(jié)合的重要性，受益匪淺！雖然其中很多處理方式并不是的很好，導致一些稍

22、大的誤差，但是整體上我們完成了對題目的要求。在這次設(shè)計中，我們對MSP430單片機的應用和編程有了進一步的認識，對步進電機和傳感器的應用得到了很大的加強。同時，我們認識到我們在發(fā)揮部分的精確控制方面有很大的欠缺，希望在今后的日子加強對這方面的學習和應用。參考文獻1 魏惠軍、朱烔明大角度單擺的周期J上海師范大學學報2004年第33卷（103105）2 張福才MSP430單片機自學筆記北京航空航天大學出版社2011年2月3 趙燕著傳感器原理及應用北京大學出版社2010年2月。4 坂本正文（日）著，王自強譯步進電機應用技術(shù)科學出版社2010年5月5 全國大學生電子設(shè)計競賽組委會.全國大學生電子設(shè)計競

23、賽獲獎作品選編M.北京：北京理工大學出版社，2007.附件一：電路原理圖附件二：主要器件清單序號原件名稱，型號和規(guī)格數(shù)量備注1MS430149單片機1系統(tǒng)控制242HS3404A4步進電機1轉(zhuǎn)動平板3DM542細分驅(qū)動器1驅(qū)動步進電機4ST188光電傳感器1判斷擺與平板的垂直5MMA7391加速度傳感器1角度測量612864ST7920液晶顯示屏1顯示角度7電阻若干8電容若干附件三：源程序#include <msp430x14x.h>#include "12864.h"#include "delay.h"#include "adc.

24、h"#include "Init_Clk.h"#include "l298.h"#include <math.h>long int suma=0,sumb=0,sumc=0,base,degree,base2,t=0;unsigned int i=0,j=0,p,k;double m,m1,T;unsigned char ft=0x01,0x02,0x04,0x08,0x01,0x02,0x04,0x08;unsigned char bk=0x08,0x04,0x02,0x01;void main() WDTCTL = WDTPW

25、+ WDTHOLD; P1DIR = 0XFF;P1OUT = 0XFF; P2DIR = 0XFF;P2OUT = 0XFF; P3DIR = 0XFF;P3OUT = 0XFE; P4DIR = 0XFF;P4OUT = 0XFF; P5DIR = 0XFF;P5OUT = 0XFF; P6DIR = 0XFF;P6OUT = 0XFF; Init_Clk(); adc_4ch(); Init_Lcd(); P4DIR=0XFC; P1DIR=0Xf0; while(1) if(P1IN&BIT0)=0)k=0;break; if(P1IN&BIT1)=0)k=1;brea

26、k; if(k=0) Disp_4num(0x80,0000); while(1) if(P4IN&BIT1)=0) break; Disp_4num(0x80,1111); for(p=10;p>0;p-) /*P2OUT=P2OUT|0x02; Delay_Nus(8); P2OUT=P2OUT&0xfd; Delay_Nus(8); */ P2OUT=0xf2; /Delay_Nus(80); Delay_Nms(25); P2OUT=0xf0; Delay_Nms(25); P3OUT=P3OUT|BIT0; while(1) /Disp_4num(0x80,22

27、22); P2OUT=0xf2; Delay_Nms(25); P2OUT=0xf0; Delay_Nms(25); if(P4IN&BIT0)=0)break; /while(1) /Disp_4num(0x80,2222); for(p=2;p>0;p-) P2OUT=0xf2; Delay_Nms(25); P2OUT=0xf0; Delay_Nms(25); while(1) Disp_4num(0x80,3333); else while(1) ADC12CTL0 |= ADC12SC; _BIS_SR(CPUOFF + GIE); /*while(1) Disp_4n

28、um(0x80,1111); for(i=0;i<4;i+) P2OUT=fti; Delay_Nms(50); if(P4IN&BIT0)=0)break; if(P4IN&BIT0)=0)break; if(i=3)i=1;P2OUT=fti; else P2OUT=fti+; if(i=3)i=1;P2OUT=fti; else P2OUT=fti+; while(1) Disp_4num(0x80,2222); */ /ADC12CTL0 |= ADC12SC; /*while(1) ADC12CTL0 |= ADC12SC; / Sampling open啟動轉(zhuǎn)

29、換 /if(fabs(base-degree)>5)break; while(1) /if(degree>20)break; _BIS_SR(CPUOFF + GIE); break; /_BIS_SR(CPUOFF + GIE); / LPM0, ADC12_ISR will force exit進入低功耗等待中斷模式 */ /if(m<0) / /*Write_Cmd(0x01); Disp_4num(0x80,1111); while(1) for(i=0;i<4;i+) P2OUT=fti; Delay_Nms(100); if(P4IN&BIT0)=0

30、)break; if(P4IN&BIT0)=0)break; */ / /*else while(1) for(i=0;i<4;i+) P2OUT=bki; Delay_Nms(100); if(P4IN&BIT0)=0)break; if(P4IN&BIT0)=0)break; while(1); */ ADC12 interrupt service routine#pragma vector=ADC_VECTOR_interrupt void ADC12_ISR (void) long int a,b,c,d,y,z,q; double degree_doub

31、le,degree_turn; / if (ADC12MEM0 < 0x7FF) /a=ADC12MEM0/41*33;/? /Disp_HZ(0x80,ms2,4); /b=ADC12MEM1/41*33; /Disp_HZ(0x90,ms2,4); /c=ADC12MEM2/41*33; suma=ADC12MEM0+suma; sumb=ADC12MEM1+sumb; sumc=ADC12MEM2+sumc; i+; if(i=9) a=suma/10; b=sumb/10; c=sumc/10; /y=a-160; /具體數(shù)值現(xiàn)場測量，有變化，角度誤差 40°以內(nèi)，誤差<1° /z=b-164; /僅使用yOz面變化 a=a/41*33; b=b/41*33; c=c/41*33; y=a-1419; z=b-1479; m=atan2(y,z); /g由Yg和Zg合成，所以用反正切函數(shù) if(m<=0) /具體每個不同傳感器，需現(xiàn)場測量0°90°-90°電壓后寫入新值 /Data20=' ' m1=fabs(m); else if(m>0) /Data20='-' m1=m; degree = m1 * 18000/3.1413925; /顯