2015年-電子設(shè)計大賽-風板控制系統(tǒng)

1、2015年全國大學生電子設(shè)計競賽風板控制裝置（i題）【高職高專組】摘要本系統(tǒng)以MSP43西片機為控制核心，通過PID算法，實現(xiàn)了對風板的控制系統(tǒng)主要由電源模塊、角度測量模塊、電機驅(qū)動模塊、顯示模塊、鍵盤模塊和聲光模塊等構(gòu)成。通過PID反饋輸出PWM改變直流風機風力大小，使風板轉(zhuǎn)角根據(jù)需求變化。加速度傳感器MPU605撅測風板位置的變化，并將風板角度在LCD液晶器上顯示，同時單片機對采集的數(shù)據(jù)進行分析，實時調(diào)整PWM出，通過驅(qū)動芯片L298N控制風機風速，使風板達到穩(wěn)定的狀態(tài)，并帶有相應的聲光提醒功能，使系統(tǒng)人性化，經(jīng)過反復測試，達到了設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：MSP430;PID;PWM；流風機;MP

2、U6050目錄1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由主控模塊、角度檢測模塊、電機驅(qū)動模塊、顯示模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。1.1主控模塊的論證與選擇方案一：采用傳統(tǒng)8位的51單片機作為該系統(tǒng)的控制核心。經(jīng)典51單片機具有價格低廉，使用簡單等特點，但其存在外設(shè)I/O端口較少，運算速度低，功能單一，不穩(wěn)定等缺點。方案二：采用TI公司所生產(chǎn)的MSP430F149單片機為主控制芯片，運算速度快，超低功耗，有非常豐富的片內(nèi)資源，性價比高。綜合比較以上兩個方案，選擇TI公司生產(chǎn)的430芯片，在低功耗方面有顯著的優(yōu)勢，處理數(shù)據(jù)快，且其片內(nèi)資源豐富，滿足系統(tǒng)設(shè)計需求。1.2角度檢測模塊方案論證方案一：采

3、用模擬三軸加速度計MMA7260,MMA7260QT檢測物件運動和方向的傳感器，它根據(jù)物件運動和方向改變輸出信號的電壓值。通過A/D轉(zhuǎn)換器讀取輸出信號，檢測其運動和方向。方案二：采用mpu6050專感器可準確追蹤快速與慢速動作，并且可調(diào)整感測范圍，可快速、直接將檢測信號給控制器?？刂品褰嵌仁莻€快速處理的過程，方案一還需采集電路對AD進行采集轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，綜合考慮選擇方案二。1.3電機驅(qū)動模塊本設(shè)計的主要目的在丁控制風機的轉(zhuǎn)速，因此電機驅(qū)動模塊是必不可少，其方案有以下兩種。方案一：采用大功率晶體管組合電路構(gòu)成驅(qū)動電路，這種方法結(jié)構(gòu)簡單，成本低、易實現(xiàn)，但由丁在驅(qū)動電路中采用了大量的晶體管相互連

4、接，使得電路復雜、抗干擾能力差、可靠性下降，我們知道在實際的生產(chǎn)實踐過程中可靠性是一個非常重要的方面。因此此中方案不宜采用。方案二：采用專用的電機驅(qū)動芯片，例如L298N、L297N等電機驅(qū)動芯片,由丁它內(nèi)部已經(jīng)考慮到了電路的抗干擾能力，安全、可靠行，所以我們在應用時只需考慮到芯片的硬件連接、驅(qū)動能力等問題就可以了，所以此種方案的電路設(shè)計簡單、抗干擾能力強、可靠性好。設(shè)計者不需要對硬件電路設(shè)計考慮很多，可將重點放在算法實現(xiàn)和軟件設(shè)計中，大大的提高了工作效率?；∩鲜隼碚摲治龊蛯嶋H情況，電機驅(qū)動模塊選用方案二。1.4顯示模塊方案方案一：選用常見的數(shù)碼管顯示，成本低，只能顯示簡單的字符和數(shù)字。顯示

5、位數(shù)較多時，輪番掃描占用CPU寸問。方案二：選用12864顯示屏做顯示。12864的顯示為128x64,顯示面積大，數(shù)字和漢字顯示容易實現(xiàn)，程序要求不是很高，更加方便。方案三：用彩屏做顯示。彩屏顯示效果好，但成本高，功耗大，編程設(shè)計相對繁瑣。由丁系統(tǒng)顯示信息量較多，對比所述方案，選擇12864作為系統(tǒng)顯示器。1.5電源模塊方案電源是任何系統(tǒng)能否運行的能量來源，本系統(tǒng)中電源模塊為主控制器、電機驅(qū)動、角度檢測模塊等提供電源。方案一：通過電阻分壓的形式將整流后的電壓分別降為控制芯片和電機運行所需的電壓，此種方案原理和硬件電路連接都比較簡單，但對能量的損耗大，在實際應用系統(tǒng)同一般不宜采用。方案二：通過

6、固定芯片對整流后的電壓進行降壓、穩(wěn)壓處理（如7812、7805等），此種方案可靠性、安全性高，對能源的利用率高，并且電路簡單容易實現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，采用方案二作為系統(tǒng)的供電模塊。2.系統(tǒng)理論分析與計算2.1角度確定風板運動過程中需要實時檢測角度的變化，通過計算加速度傳感器傳回的數(shù)據(jù)，可以測得風板的角度，加速度與角度存在如下關(guān)系：加這度作憋器z軸與自懋坐務(wù)系/軸夾向，q.fir'd*工？4七）,4前理虔?；假惙蜉o與自然坐標冢x橘夫22=5*2.2風速控制風速的快慢直接決定了系統(tǒng)風板角度的大小。通過pid調(diào)節(jié)，單片機輸出PWM波形，可對風板進行快速、準確的調(diào)整。通過不斷調(diào)整P（比例）

7、、1（積分）、D（微分）值，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到明顯的提高，響應時間也加快了。由各個參數(shù)的控制規(guī)律可知，比例P使反應變快，微分D使反應提前，積分I使反應滯后。在一定范圍內(nèi)，P,D值越大，調(diào)節(jié)的效果越好。3.電路與程序設(shè)計3.1硬件電路設(shè)計系統(tǒng)總體框圖如圖3.1所示。圖3.1系統(tǒng)總體框圖3.1.1單片機最小系統(tǒng)設(shè)計MSP430F14單片機，其最小系統(tǒng)包括電源電路、復位電路、時鐘電路，具體電路設(shè)計如圖3.2所示。|!*一二=三一ho9弓*|此3更4理2U12UXJWWUrLhtEJVMM.tme二三三二二一.圖3.2最小系統(tǒng)原理圖3.1.2角度測量設(shè)計本系統(tǒng)中要實時監(jiān)控風板的角度，系統(tǒng)采用mpu605

8、0專感器，通過計算可迅速得出測量的角度，從而反饋給單片機進行相應操作。3.1.3顯示模塊設(shè)計本系統(tǒng)采用LCD12864乍為顯示，模塊電路圖如圖3.3所示。圖3.3LCD12864電路圖3.1.4直流風機驅(qū)動電機驅(qū)動芯片L298N內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器。L298可驅(qū)動2個電機，OUT1OUT引OUT3OUT化問分別接2個電動機。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)，ENAEN昵控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。利用單片機產(chǎn)生PW峭號接到ENAENB®子，3.1.5供電系統(tǒng)電路在電子電路及設(shè)備中,一般都需要穩(wěn)定的直流電源供電。小功率的穩(wěn)壓電

9、源的組成如圖3.5所示，它由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成。直流穩(wěn)壓電源電路如圖3.6所示。電網(wǎng)電源I電用|變斥器整流電路濾波電路程壓電路魚載圖3.5直流穩(wěn)壓電路工作原理"C2J-jOofW徹5ADJ圖3.6LM2596可調(diào)電源模塊3.2程序設(shè)計3.2.1程序功能描述根據(jù)設(shè)計要求，軟件部分主要實現(xiàn)風機轉(zhuǎn)速控制以及聲光報警與液晶顯示。(1) 風機轉(zhuǎn)速控制部分：在鍵盤按下設(shè)定風板的角度后，風板15s內(nèi)處丁指定位置并穩(wěn)定5秒以上，上下波動不超過5度，根據(jù)傳感器測出的距離通過PID算法調(diào)整風機轉(zhuǎn)速來調(diào)整風板的位置。(2) 鍵盤設(shè)置部分：在鍵盤按下后，風機作出相應轉(zhuǎn)速，風板

10、達到指定位置。(3) 液晶顯示部分：液晶器顯示風板位置及維持時間。3.2.2程序設(shè)計思路系統(tǒng)程序主要由角度檢測部分，PID調(diào)節(jié)部分和顯示部分組成。設(shè)定需求角度，通過獲取測量角度值來反饋給單片機，單片機做出相應的PW瀾節(jié)，從而達至U需求的角度。同時液晶將對實時采集的角度和按鍵值信息進行顯示。3.2.3程序流程圖程序總體流程圖如圖3.7所示，PWr®制流程圖如圖3.8所示，12864液晶顯示電路流程圖如圖3.9所示。4系統(tǒng)測試4.1測試儀器高精度的數(shù)字毫伏表、模擬示波器、數(shù)字示波器、數(shù)字萬用表、指針式萬用表、量角器、秒表。4.2測試方案1、硬件測試對各個模塊進行測試，測試通過后使用。2、

11、軟件仿真測試對程序的錯誤和不能正確實現(xiàn)的部分進行調(diào)節(jié)和改正。3、硬件軟件聯(lián)調(diào)對整體功能的實現(xiàn)進行進一步調(diào)節(jié)。4.3測試結(jié)果及分析4.3.1測試結(jié)果a.風板實際角度與角度傳感器角度比較實測角406080100120130150角度傳感器值405981101120131150b.風板角度與pwn系如表4.2所示不帶石去碼測試次數(shù)設(shè)定角度測試結(jié)果測試誤差完成時間14526538549051156135前去碼745865985109011115121354.3.2測試分析與結(jié)論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，隨著PWM的增加，風機的風速逐漸加大，風板設(shè)定的角度能維持35s,由此可以得出以下結(jié)論：1、風機的轉(zhuǎn)速可通過

12、PWM調(diào)控且成正比關(guān)系。2、風板實際角度與傳感器檢測的角度誤差1度，當穩(wěn)定時，角度誤差小丁5度波動，符合系統(tǒng)要求。綜上所述，本系統(tǒng)達到設(shè)計要求。5設(shè)計總結(jié)不說我們在電賽中學到的新知識是多么有價值，也不用說它拓寬了多少我們的眼界，只是說它讓我們的能力得到提高就已足以成為我們努力付出的回報。在這四天三夜的奮戰(zhàn)中，遇到過很多困難，搭載硬件時，由丁對量角器安裝角度有誤差，導致軟件校準時存在較大誤差，經(jīng)過仔細排查，不斷改變方案，最終解決了問題。軟件調(diào)試時，PID參量設(shè)置成了最頭疼的問題，過大調(diào)整系統(tǒng)波動較大,過小調(diào)整風板很難達到預設(shè)角度。功夫不負有心人，兩天的幸苦沒有白費，當風機穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動到達預設(shè)角度時

13、，喜悅之情難以言表。理論與現(xiàn)實總是用通過實踐聯(lián)系起來的，我們在這次比賽中不再是局限丁課本或是參考資料中的理論知識，而是把所有的實驗都按部就班的做過，并通過實驗結(jié)果對所理解的知識進行了加強鞏固，更是對原來的理解偏差進行了改正，使我們對平時所學的課程更加透徹。當然，我們自己動手焊接了不少硬件電路，用到了大量的基礎(chǔ)知識，還把實習中學到的焊接技術(shù)，對以前的知識進行了一次整合。再來，它增強了我們的溝通能力。合作精神是一個團隊成立成長的根本所在，我們組的隊員從第一個合作項目起就十分的團結(jié)，大家各有分工，共同討論，為我們?nèi)蘸蟮墓ぷ髂芰Υ蛳铝嘶A(chǔ)。這次大賽給予了我們很多，通過這次比賽大家一起交流學習，互幫互助

14、，增強了合作意識。老師們的幫助讓我們感覺老師不再僅僅是一個指導者，更像一個家長帶領(lǐng)我們成長，讓我們跟老師之間的關(guān)系更加的緊密。最后，我們衷心感謝我們的指導老師，也祝愿此次大賽圓滿成功！附錄1:電路原理圖附錄2:源程序#include<msp430x14x.h>#include"PID.h#defineP_DATA0.5#defineI_DATA0typedefstructPIDintSetPoint;/longSumError;/doubleProportion;/doubleIntegral;/doubleDerivative;/#defineD_DATA0設(shè)定目標De

15、siredValue誤差累計比例常數(shù)ProportionalConst積分常數(shù)IntegralConst微分常數(shù)DerivativeConstintLastError;/Error-1intPrevError;/Error-2PID;staticPIDsPID;staticPID*sptr=&sPID;voidIncPIDInit(inttarget)誤差的累加比例常數(shù)Proportionalsptr->SumError=0;/sptr->LastError=0;/Error-1sptr->PrevError=0;/Error-2sptr->Proportion

16、=P_DATA;/Constsptr->Integral=I_DATA;/積分常數(shù)IntegralConstsptr->Derivative=D_DATA;/sptr->SetPoint=target;/微分常數(shù)DerivativeConst目標/增量式PID控制設(shè)計voidPID_dat(unsignedinttarget)sptr->SetPoint=target;/目標intIncPIDCalc(intNextPoint)registerintiError,iIncpid;/當前誤差iError=sptr->SetPoint-NextPoint;/增量計算i

17、Incpid=sptr->Proportion*iError/Ek項-sptr->Integral*sptr->LastError/Ek1項+sptr->Derivative*sptr->PrevError;/Ek2項/存儲誤差，用于下次計算sptr->PrevError=sptr->LastError;sptr->LastError=iError;/返回增量值return(iIncpid);/位置式PID控制設(shè)計unsignedintLocPIDCalc(intNextPoint)registerintiError,dError;iError=

18、sptr->SetPoint-NextPoint;/偏差sptr->SumError+=iError;/積分dError=iError-sptr->LastError;/微分sptr->LastError=iError;return(sptr->Proportion*iError/比例項+sptr->Integral*sptr->SumError/積分項+sptr->Derivative*dError);/微分項#include<msp430x14x.h>#include"IIC.h”#include"lcd128

19、64.h”#include<math.h>#include<stdio.h>intcunt=0;uchardis5;/顯示數(shù)字(-511至512)的字符數(shù)組intdis_data;floatTvae()(intdata_xyz3;floatRoll,Pitch,zz,Q,T,K;data_xyz0=GetData(ACCEL_XOUT_H);/合成數(shù)據(jù)data_xyz1=GetData(ACCEL_YOUT_H);分別是加速度data_xyz2=GetData(ACCEL_ZOUT_H);Q=(float)data_xyz0*3.9;/X,Y,Z的原始數(shù)據(jù)，10位的T=

20、(float)data_xyz1*3.9;K=(float)data_xyz2*3.9;Roll=(float)(atan2(K,T)*180/3.14159265)-90);/X軸角度值return(-Roll);voidlcd_printf(uchar*s,inttemp_data)if(temp_data<0)temp_data=-temp_data;*s='-'else*s=''*+s=temp_data/100+'0'temp_data=temp_data%100;/取余運算*+s=temp_data/10+'0'

21、temp_data=temp_data%10;/取余運算*+s=temp_data+'0'*+s='0'voidInitMPU6050()/Single_WriteI2C(PWR_MGMT_1,0x80);/復位Single_WriteI2C(PWR_MGMT_1,0x00);/解除休眠狀態(tài)Single_WriteI2C(SMPLRT_DIV,0x07);/陀螺儀采樣率,典型值：0x07(125Hz)低通濾波頻率，典陀螺儀白檢及測量加速計白檢，測量范5Hz)Single_WriteI2C(CONFIG,0x06);/型值：0x06(5Hz)Single_Writ

22、eI2C(GYRO_CONFIG,0x18);/范圍，典型值:0x18(不白檢，2000deg/s)Single_WriteI2C(ACCEL_CONFIG,0x01);/圍及高通濾波頻率，典型值：0x01(不白檢，2G,*/合成數(shù)據(jù)/*intGetData(ucharREG_Address)charH,L;H=Single_ReadI2C(REG_Address);L=Single_ReadI2C(REG_Address+1);return(H<<8)+L;/合成數(shù)據(jù)/*/在12864上顯示10位數(shù)據(jù)/*intDisplay10BitData(intvalue)value/=64

23、;/轉(zhuǎn)換為10位數(shù)據(jù)lcd_printf(dis,value);/轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)顯示/csj(y,x,dis);returnvalue;voidI2C_Start()(SDA1;/拉高數(shù)據(jù)線SCL1;/拉高時鐘線delayus(5);/延時SDA0;/產(chǎn)生下降沿delayus(5);/延時SCL0;/拉低時鐘線*/I2C停止信號*voidI2C_Stop()(SDA0;/拉低數(shù)據(jù)線SCL1;/拉高時鐘線delayus(5);/延時SDA1;/產(chǎn)生上升沿delayus(5);/延時/*/I2C發(fā)送應答信號/入口參數(shù):ack(0:ACK1:NAK)*voidI2C_SendACK(ucharack)(S

24、DAOUT;if(ack)SDA1;elseSDA0;/SDA=ack;/寫應答信號SCL1;/拉高時鐘線delayus(5);/延時SCL0;/拉低時鐘線delayus(5);/延時*/I2C接收應答信號/*ucharI2C_RecvACK()ucharcy;SCL1;/拉高時鐘線SDAIN;delayus(5);/延時if(SDADATA)cy=1;elsecy=0;/cy=SDA;/讀應答信號SCL0;/拉低時鐘線delayus(5);/延時SDAOUT;returncy;心*/向I2C總線發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)*voidI2C_SendByte(uchardat)(uchari;for(i=0;i<8;i+)/8(if(dat<<i)&0x80)(SDA1;else(SDA0;/SDA=cy;/SCL1;/delay