風力擺控制系統(tǒng)_圖文

1、風力擺控制系統(tǒng)摘 要本設計實現(xiàn)了用風力作為動力的擺動裝置控制系統(tǒng), 該系統(tǒng)是由單片機控制 模塊、姿態(tài)采集模塊、風力擺模塊、顯示模塊、獨立按鍵以及風力擺機械結構組 成的。 本設計采用了 MSP430F149為單片機控制直流風機; 電子陀螺儀 MPU6050采集風力擺姿態(tài)角;獨立按鍵來切換各個工作狀態(tài);激光筆來顯示擺動的軌跡; LED 燈顯示運動是否達到要求。 本設計實現(xiàn)了風力擺做直線擺動, 且擺動長度、 角度可設定; 快速制動; 在有無干擾的情況下畫圓的要求, 本系統(tǒng)較好的完成了 題目所給的指標。關鍵詞:風力擺;直流風機;MSP430F149;電子陀螺儀1設計任務與要求1.1設計任務一長約 60

2、cm70cm 的細管上端用萬向節(jié)固定在支架上, 下方懸掛一組 (24 只直流風機,構成一風力擺,如圖 1 所示。風力擺上安裝一向下的激光筆, 靜止時,激光筆的下端距地面不超過 20cm 。設計一測控系統(tǒng),控制驅(qū)動各風機 使風力擺按照一定規(guī)律運動,激光筆在地面畫出要求的軌跡。圖 1.1 風力擺結構示意1.2設計要求1.2.1 基本要求(1 從靜止開始, 15s 內(nèi)控制風力擺做類似自由擺運動,使激光筆穩(wěn)定地 在地面畫出一條長度不短于 50cm 的直線段,其線性度偏差不大于2.5cm ,并 且具有較好的重復性;(2 從靜止開始, 15s 內(nèi)完成幅度可控的擺動, 畫出長度在 3060cm 間 可設置,

3、長度偏差不大于2.5cm 的直線段,并且具有較好的重復性;(3 可設定擺動方向, 風力擺從靜止開始, 15s 內(nèi)按照設置的方向 (角度 擺動,畫出不短于 20cm 的直線段;(4 將風力擺拉起一定角度(3045放開, 5s 內(nèi)使風力擺制動達到 靜止狀態(tài)。 1.2.2 發(fā)揮部分(1 以風力擺靜止時激光筆的光點為圓心, 驅(qū)動風力擺用激光筆在地面畫 圓, 30s 內(nèi)需重復 3 次; 圓半徑可在 1535cm 范圍內(nèi)設置, 激光筆畫出的軌跡 應落在指定半徑2.5cm 的圓環(huán)內(nèi);(2 在發(fā)揮部分(1后繼續(xù)作圓周運動,在距離風力擺 12m 距離內(nèi)用 一臺 5060W 臺扇在水平方向吹向風力擺,臺扇吹 5s

4、 后停止,風力擺能夠在 5s 內(nèi)恢復發(fā)揮部分(1規(guī)定的圓周運動,激光筆畫出符合要求的軌跡;(3 其他。2方案論證與設計2.1總體方案描述本設計的結構示意主視圖與俯視圖如下圖 2.1所示, 為了實現(xiàn)題目中的要求, 我們在初始點 O 處 14號直流風機全部開始運轉(zhuǎn), 1、 3號直流風機用來調(diào)節(jié)垂 直于運動方向上的距離, 使其擺動時偏差不超過允許范圍; 2、 4號直流風機同時 運轉(zhuǎn), 但轉(zhuǎn)速不同, 使風力擺向風速小的方向運動。 風力擺無法直接運動到指定 位置, 所以需要多次擺動, 每次到達最高點時將其推向另一側, 最終使其實現(xiàn)擺 動。 采用姿態(tài)采集模塊來測量擺動角度, 進而推斷畫線長度; 通過幾個在

5、直流風 機的合力使風力擺向任意指定方向擺動; 改變各個直流風機的風速使其盡快制動。 調(diào)節(jié)各個風機使其在有無干擾的情況下完成畫圓功能。圖 2.1 結構示意主視圖與俯視圖根據(jù)上述描述,本系統(tǒng)設計系統(tǒng)框圖如圖 2.2所示,分為單片機控制、姿態(tài) 采集、 直流風機三大模塊。 本系統(tǒng)采用姿態(tài)采集模塊對角度進行測量, 采用單片 機采集數(shù)據(jù), 并對電機驅(qū)動模塊進行控制, 進而控制直流風機。 本系統(tǒng)可以通過 獨立按鍵切換工作模式。 圖 2.2 系統(tǒng)框圖2.2微處理器模塊的比較和論證方案 1:51系列單片機,是 8位單片機,體積小,低功耗,控制能力強,擴 展靈活,使用方便。但是其運行速度很慢, (因為是 CISC

6、(集中指令結構,而 且芯片為了抗干擾采用了 12分頻的方法 、所有的 I/0口都是準雙向口,I/0口 的驅(qū)動能力弱。方案 2:MSP430F149單片機,是 16位單片機,處理能力強,超低功耗,并 且運算速度快。 本設計需要多個電機輪流控制, 并對時間精度要求高, MSP430F149能夠滿足要求。因為 MSP430F149運算速度足夠快,能夠?qū)崿F(xiàn)題目要求,相比較之下選擇方 案 2。2.3直流風機組合方式的比較和論證方案 1:使用兩個直流風機,直接將兩個直流風機固定在擺桿的下方,兩個 直流風機成十字交叉狀如圖 2.3所示。這種方式的優(yōu)點在于負載輕、操作簡單, 可以直接由兩個直流風機分別負責兩個

7、軸上的擺動, 不過風力擺的狀態(tài)微調(diào)和快 速制動不易實現(xiàn)。擺桿風機 1風機 2圖 2.3 兩個直流風機組合示意圖方案 2: 使用四個直流風機, 用兩個矩形塑料板組成十字形, 分別將四個直 流風機放置在四個點上如圖 2.4所示。 每個軸上由兩個直流風機控制風力擺的擺 動,可以很好地做到加速擺動與快速制動,能夠更容易的實現(xiàn)題目的要求。圖 2.4 四個直流風機組合示意圖 綜上所述, 因為四個直流風機的組合更容易擺動與快速制動, 所以選擇方案 2。2.4姿態(tài)采集模塊的比較和論證方案 1:采用傾角傳感器 ADXL345,感應傾斜偏差角度的,將數(shù)據(jù)反饋給 單片機。 操作簡單、 編程較容易、 成本低, 但其誤

8、差較大, 不能滿足本設計要求。方案 2:采用電子陀螺儀 MPU6050測量角度。 MPU6050是全球首例整合 3軸加速度計和 3軸陀螺儀的 6軸模塊。內(nèi)置 16位的 A/D,輸出 16位的數(shù)據(jù)。 測 量范圍可以根據(jù)需要進行選擇,控制簡單、方便。傾角傳感器的誤差較大,不能滿足設計要求,相比較之下選擇方案 2。2.5液晶顯示模塊的比較和論證方案 1:12864液晶顯示, 12864不僅能顯示數(shù)字符號,還能顯示漢字與圖 形,操作方法與其他液晶顯示相似。但其體積較大,并且價格較高。方案 2:采用 1602液晶顯示, 1602能顯示字母、數(shù)字、符號,功能上完全 滿足此系統(tǒng)的要求。相比于 12864,價

9、格更低,更適合本設計。綜上所述兩個液晶顯示模塊都能滿足設計要求, 但 12864的價格較貴, 所以 選擇方案 2。風機 1風機 2風機 3風機 43理論分析與計算3.1擺動原理如圖 3.1為風力擺擺動受力分析圖, A 、 B 兩點為擺動最高點, 以 A 點為例, =0,風力擺受到擺桿的拉力 、重力 G ,此時加速度如公式(3-1 ,因為 A 點 為最高點,則此時角度為最大值,所以此時加速度 a 最大。若在此時風機全速 運轉(zhuǎn),給風力擺施加與加速度 a 方向相同的力 F ,更容易使其加速,最終實現(xiàn)擺 動。 B 點同理。a =(3-1圖 3.1 風力擺擺動受力分析圖在用激光筆畫設定長度的直線時,根據(jù)

10、設定長度 CD 與已知長度 MN ,可求 得其角度,計算公式如式(3-2 。采用陀螺儀檢測角度,當角度達到時,則 激光筆所畫直線已達到設定長度。=arc tan (3-2 3.2PID 控制原理本設計采用 PID 算法來控制風力擺的擺動, 使用陀螺儀實時測量當前姿態(tài), 用其與前一個姿態(tài)、 前前一個姿態(tài)進行比較, 觀察其變化趨勢, 若變化趨勢是遠 離設定姿態(tài), 則調(diào)節(jié)直流風機, 以改變風力擺的變化趨勢, 使風力擺的狀態(tài)趨于 設定姿態(tài)。 PID 算法輸入與輸出的關系如式(3-3u(t= ( + ( +( (3-3 ABC D傳遞函數(shù)如式(3-4G (s = ( ( = + (3-4比例 P :對風

11、力擺的角速度進行比例調(diào)節(jié), 進而對直流風機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。 比例越大,直流風機的轉(zhuǎn)速越大,風力擺的角速度越大。不過不能過大,否則會 造成超調(diào)。積分 I :對角度誤差進行積分調(diào)節(jié),消除系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差。本設計對風力擺 達到穩(wěn)定狀態(tài)的速度要求較高,所以對角度誤差的積分調(diào)節(jié)要求不高。微分 D :微分調(diào)節(jié)反映風力擺的角度變化率,即角速度。 微分調(diào)節(jié)具有預見 性,可以預見偏差的變化趨勢,進而超前控制系統(tǒng)?？梢詼p小調(diào)節(jié)時間。4系統(tǒng)硬件、軟件的實現(xiàn)4.1硬件實現(xiàn)4.1.1 微處理器電路本作品用的 MSP430F149最小系統(tǒng)電路如圖 4.1所示。圖 4.1 MSP430F149最小系統(tǒng)電路圖 4.1.2姿態(tài)采

12、集模塊電路本設計采用了 MPU6050陀螺儀進行姿態(tài)采集, MPU6050通過處理器讀取 測量角度然后通過串口輸出,免去了用戶自己去開發(fā) MPU6050 復雜的 C 協(xié) 議,同時精心的 PCB 布局和工藝保證了 MPU6050 收到外接的干擾最小,測量 的精度最高。模塊內(nèi)部自帶電壓穩(wěn)定電路, 可以兼容 3.3V/5V 的嵌入式系統(tǒng), 連接方便。 模塊保留了 MPU6050 的 C 接口,以滿足高級用戶希望訪問底層測量數(shù)據(jù)的需 求。采用先進的數(shù)字濾波技術,能有效降低測量噪聲,提高測量精度。模塊內(nèi)部 集成了姿態(tài)解算器, 配合動態(tài)卡爾曼濾波算法, 能夠在動態(tài)環(huán)境下準確輸出模塊 的當前姿態(tài), 姿態(tài)測量

13、精度 0.01 度, 穩(wěn)定性極高。 MPU6050角度測量電路圖如 圖 4.5所示。圖 4.2 MPU6050角度測量電路圖4.1.3 電機驅(qū)動電路L298N 電機驅(qū)動電路圖如圖 4.3所示, L298N 是 ST 公司生產(chǎn)的一種高電 壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用 15腳封裝。主要特點是:工作電壓高, 最高工作電壓可達 46V ;輸出電流大,瞬間峰值電流可達 3A ,持續(xù)工作電流為 2A ;額定功率 25W 。內(nèi)含兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器,可以用來驅(qū) 動直流電動機和步進電動機、 繼電器線圈等感性負載; 采用標準邏輯電平信號控 制; 具有兩個使能控制端, 在不受輸入信號影響的

14、情況下允許或禁止器件工作有 一個邏輯電源輸入端, 使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作; 可以外接檢測電阻, 將變化量反饋給控制電路。 圖 4.3 電機驅(qū)動電路圖4.1.4 液晶顯示模塊電路本設計采用了 LCD1602液晶顯示模塊,其電路圖如圖 4.4所示。液晶顯示 的原理是利用液晶的物理特性, 通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制, 有電就有顯示, 這樣即可以顯示出圖形。 液晶顯示器具有厚度薄、 適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū) 動、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點。圖 4.4 LCD1602電路圖4.2軟件實現(xiàn)4.2.1 主程序流程圖本設計的主程序流程圖如圖 4.3所示,本系統(tǒng)使用單片機為主控核心,采用 C 語言編

15、程,使用軟件讀取風力擺角速度,加速度,傾斜角度等信息。它控制整 個系統(tǒng)穩(wěn)定協(xié)調(diào)的運作, 完成不同軌跡的繪制。 系統(tǒng)各種功能主要通過在中斷中 調(diào)用具體的子函數(shù)來實現(xiàn)。 圖 4.3 主程序流程圖4.2.2 子程序流程圖 圖 4.4 畫圓程序流程圖 圖 4.5 畫線程序流程圖 圖 4.6設置擺動方向程序流程圖 圖 4.7 鍵盤讀值程序流程圖5系統(tǒng)測試5.1測試儀器表 5.1 測試儀器序號 儀器名稱 備注1 秒表 測量擺動時間2 直尺 測量擺動長度與誤差3 量角器 測量角度4 方向角度圖紙 判斷擺動方向與距離5 臺扇 外界干擾5.2測試方案與結果5.2.1 風力擺畫長于 50cm 直線測試風力擺從靜止

16、開始做類似自由擺運動, 激光筆在地面上畫出運動軌跡, 直至 畫出一條長于 50cm 的直線,記錄所用時間,在測量誤差時多測 3個周期,取每 個周期偏差的最大值,再計算三次的誤差平均值,記錄誤差平均值,重復三次, 測試結果如下表:表 5.2 風力擺畫長于 50cm 直線測試序號 時間 誤差平均值1 9.45s 1.57cm2 9.20s 1.80cm3 9.34 1.97經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)本設計可以在 15s 內(nèi)擺動幅度達到 50cm 長,不過在擺動過程中 有誤差, 這些誤差是由于擺錘的結構做得不夠完美, 運動時方向會有偏差, 并且 會受到外界風力等因素影響, 不過這些誤差在可允許范圍內(nèi), 能夠滿足題目

17、要求。 5.2.2 風力擺畫不同長度直線測試設置風力擺畫線長度, 風力擺從靜止開始擺動, 激光筆在地面上畫出運動軌 跡,直至畫出一條近似于指定長度的直線,記錄所用時間,在測量誤差時多測 3個周期, 取每個周期偏差的最大值, 再計算三次的誤差平均值, 記錄誤差平均值, 設置不同長度重復三次,測試結果如下。表 5.3 風力擺畫不同長度直線測試設置長度 (cm 時間 誤差平均值30 7.34s 1.77cm40 6.42s 1.57cm50 7.81s 1.54cm經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)本設計可以在 15s 內(nèi)使風力擺擺動達到指定長度, 不過此長度有 誤差, 因為本設計在實現(xiàn)設定擺動長度時是根據(jù)角度與長度的關系

18、確定設定的擺 動角度, 采用陀螺儀測量擺動角度, 可是陀螺儀在測量角度時會有誤差, 所以最 終擺動的長度也會有誤差,不過這些誤差在可允許范圍內(nèi),能夠滿足題目要求。 5.2.3 風力擺畫不同角度直線測試設置風力擺自由擺時角度, 風力擺從靜止開始按照規(guī)定角度擺動, 激光筆在 地面上畫出運動軌跡,直至畫出一條不小于 20cm 的直線,記錄所用時間,設置 不同角度重復兩次,測試結果如表 5.4。表 5.4 風力擺畫不同角度直線測試設置角度 ( 時間0 3.55s90 4.12s經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)本設計可以在 15s 內(nèi)使風力擺擺動達到指定長度, 能夠滿足題目 要求。5.2.4 風力擺恢復靜止測試將擺錘拉至一定

19、角度, 放手使其自由擺動, 同時開始計時, 由四個直流風機 來使其靜止,記錄從放手開始到靜止的時間。測試結果如下:表 5.5 風力擺恢復靜止測試序號 時間1 7.36s2 5.12s3 8.14s經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)本設計可以使風力擺靜止。5.2.5 風力擺畫圓測試設置風力擺做圓周運動時的半徑, 風力擺從靜止開始擺動并開始計時, 激光 筆在地面上畫出運動軌跡, 直至風力擺做圓周運動, 激光筆畫出圓形, 并重復三次,記錄所用時間,在測量誤差時多測 3個周期,取每個周期偏差的最大值,再 計算三次的誤差平均值,記錄誤差平均值,測試結果如表 5.6所示。表 5.6 風力擺畫圓測試序號 所用時間 誤差平均值1 1

20、2.62s 1.54cm2 12.45s 1.23cm3 16.48s 1.37cm經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)本設計可以在 30s 時間內(nèi)從靜止開始做圓周運動并重復三次, 不 過在做圓周運動時距離與設置半徑有偏差,因為半徑的檢測使用陀螺儀實現(xiàn)的, 而陀螺儀測量有誤差, 而且在各個直流風機變速時會對圓周運動有影響。 不過這 些誤差在可允許范圍內(nèi),能夠滿足題目要求。5.2.6 風力擺抗干擾畫圓測試完成畫圓測試后,在距離擺錘 12m出放置一臺 5060w的臺扇水平方向的 吹風力擺, 吹 5s 停止, 并開始計時, 直到風力擺再次完成畫圓測試時停止計時, 記錄時間。并根據(jù)激光筆所畫出的圓形計算平均誤差,測試結果如下:

21、表 5.7 風力擺抗干擾畫圓測試序號 所用時間 誤差平均值1 6.34s 0.83cm2 7.81s 2.27cm3 4.96s 1.80cm經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)本設計可以在由臺扇干擾后再次完成畫圓測試, 時間略長, 軌跡 的誤差在允許范圍內(nèi)。5.3誤差分析完成所有功能的測試后發(fā)現(xiàn), 出現(xiàn)誤差的主要原因在于陀螺儀的測量不夠準 確, 不過這是不可避免的, 在器件選擇時此誤差就被考慮在內(nèi)。 除此之外外界風 力、 直流風機變速等都有可能造成誤差, 不過經(jīng)過我們的多次調(diào)試, 最終誤差大 多數(shù)被調(diào)試到允許范圍內(nèi),基本能夠滿足題目要求。6總 結經(jīng)過四天三夜的努力, 本組較好的完成了題目的基礎部分與發(fā)揮部分。 風力 擺能夠從靜止開始 15