1、2015 全国大学生电子设计竞赛设计报告风力摆控制系统(B 题)【本科组】2015年 8月 15日摘 要本系统一 K60 MK60DN512VLL10 最小系统板为核心，通过四个风扇来控制动态,由 MMA7361 ENC-03MB 三轴加速度单陀螺仪光电直立组模拟传感器进行检测。系统由单片机发出指令控制四个风扇风力大小情况，以带动细管运动，从而控制其运动情况，并由激光头显示其运动轨迹，其运动信息由陀螺仪传感器检测并传送给单片机。本系统构造简洁，能实现赛题要求。关键词： K60 MK60DN512VLL10 最小系统板 陀螺仪光电直立组模拟传感器 激光头Abstract ：This system
2、 is based on the MK60DN512VLL10 K60 minimum system board as the core, through the four fans to control the dynamic, the ENC-03MB MMA7361 three axis accelerometer to detect the single gyro photoelectric sensor. System is composed of a single chip microcomputer issued a directive control four wind pow
3、er of the fan size, to drive the tube motion, so as to control the movement of, and display the motion trajectory by the laser head, the motion information by gyro sensor detection and transfer to the microcontroller. This system is simple and can achieve the match problem.Key words: MK60DN512VLL10
4、K60 minimum system board gyroscope, a photoelectric sensor, laser head目 录 1设计任务与要求. 2 1.1设计任务. 21.2设计要求.21.2.1基本要求. 21.2.2发挥部分. 22系统方案. 33系统硬件设计. 33.1系统机械结构. 33.2摆杆状态的检测和计算.43.3 驱动模块电路设计.44 系统软件设计.54.1 系统框架图. . . . .54.2 程序清单. . . . .55测试方案与测试结果. . . . .55.1测试方案. . . . .55.2 测试条件与仪器. . . . .65.3测试结果
5、及分析. . . . .65.3.1测试数据. . . . . .66结论和总结. . . . . .76.1对设计的小结. . . . .76.2设计收获体会. . . . .76.3对设计进一步完善的建议. . . . .71设计任务与要求1.1设计任务一长约 60cm70cm 的细管上端用万向节固定在支架上，下方悬挂一组（24 只）直流风机，构成一风力摆，如图 1 所示。风力摆上安装一向下的激光笔，静止时，激光笔的下端距地面不超过 20cm。设计一测控系统，控制驱动各风机使风力摆按照一定规律运动，激光笔在地面画出要求的轨迹。1.2 设计要求1.2 .1 基本要求（1） 从静止开始， 15
6、s 内控制风力摆做类似自由摆运动， 使激光笔稳定地在地面画出一条长度 不短于 50cm 的直线段，其线性度偏 差不大于2.5cm，并且具 有较好的重性；（2） 从静止开始， 15s 内完成幅度可控的摆动，画出长图 1 风力摆结构示意图度在 3060cm 间可设置，长度偏差不大于2.5cm 的直线段，并且具有较好的重复性。（3） 可设定摆动方向，风力摆从静止开始，15s 内按照设置的方向（角度）摆动，画出不短于 20cm 的直线段；（4） 将风力摆拉起一定角度（3045）放开，5s 内使风力摆制动达到静止状态。1.2.2 发挥部分（1） 以风力摆静止时激光笔的光点为圆心，驱动风力摆用激光笔在地面
7、画圆，30s 内需重复 3 次；圆半径可在 1535cm 范围内设置，激光笔画出的轨迹应落在指定半径2.5cm 的圆环内；（2） 在发挥部分（1）后继续作圆周运动，在距离风力摆 12m 距离内用一台 5060W 台扇在水平方向吹向风力摆，台扇吹 5s 后停止，风力摆能够在 5s 内恢复发挥部分（1）规定的圆周运动，激光笔画出符合要求的轨迹；（3） 其他。2 系统方案2.1风力摆的连接支架的选择经组员讨论,我们采取方案 1：如 2 图所示，一组直流风机用细管或棒（如碳素纤维管、PVC 管等）通过万向节固定在一支架上；该方案中首先万向节 可让动力传送到成一角度的二个轴，其 中包括二支 Y型轭及一个
8、叫做十字轴架 的十字型构件。在此方案中可以防止下 方的轴流风机方形结构自转，以免发生 风向不对。而下方方形结构风机用四只， 这样可以使四面风向更加灵活的接受系 统的控制。图 2 风力摆实现方案示意2.2风力摆摆动方案的选择方案 1、可以测出风力摆自由摆动的周期后用延时程序，延时半个周期，两个方向的风机循坏吹风，在半个周期的时间差内可以使其循环摆动起来。此方案程序结构简单易于实现，但可能存在误差，不够精确。方案 2、可以测出摆动到两边最大距离时的角度，再利用陀螺仪根据角度数值由最小系统控制风机的风力。这样可以最精确的实现风力摆的摆动，但是对程序要求太高难以实现，并有可能出现风机风力与角度冲突的情
9、况。总上所述：我们认为方案 1较容易实现并且程序简单，即使存在误差也是在可控的范围内，也没必要将误差控制的如方案 2一样精确。故我们选择方案 1。3系统硬件设计3.1系统机械结构（见图 3）该系统机械结 构中硬质管棒靠万向节与 支点连接以实现 360度旋 转。3.2摆杆状态 的检测和计算因需要对摆杆 进行 180度的检测，所以 选择MMA7361 ENC- 03MB陀螺仪是最简单、 最快捷的方式。陀螺仪通 过 AD转换芯片将角度数 据输进核心芯片内进行计 算进而控制风扇的风力大 小。图 3 机械结构 UG 图3.3 驱动模块电路设计图 4 驱动模块 PCB 电路图驱动模块电路是本设计最重要的电
10、路。陀螺仪将信号反馈给单片机最小系统，单片机最小系统便向风扇驱动芯片发出指令进而控制风扇的风力。通过控制电路板上的按键来分别完成竞赛题目中的各项要求，并在显示屏上显示特定的数据。4 系统软件设计4.1 系统框架图K60 MK60DN512VLL10最 小 系 统 板MMA7361 ENC-03MB 三轴 加 速 度 单 陀 螺 仪 传 感 器轴 流 风 机诺 基 亚5110 显 示 屏4.2 程序清单(见附录)5测试方案与测试结果5.1测试方案A机械结构测试阶段，通过电机驱动模块控制风扇的风力使其在无人为影响下做运动，从而得出最佳的长度组合。B. 测试调试阶段，利用诺基亚 5110显示屏显示陀
11、螺仪测出的角度，再结合实际情况作出相应的调整。C.PID算法调试阶段，通过串口通信和相应的上位机对 P、I、D 的值进行调整。基本要求 1、通过测试来回摆动周期（数据见表格 1）在程序中设定轴流风机的启动与停止时间段。启动风机在规定的时间内摆动到最高点后，停止四分之一个周期反向吹风后同理，实现其来回摆动。基本要求 2、通过计算得出摆动距离与加速度之间的关系（见表格 2），设置一定的距离当风力摆达到一定距离是也达到了一定的角度，这时与摆动方向相同的风机转以阻止其前进,以此改变摆动的距离。基本要求 3、先计算得出两个互相垂直的风机风力大小与摆动角度的关系，在以角度得出风力大小，后按照基本要求 1实
12、现其摆动。基本要求 4、根据陀螺仪测出的摆杆的角度位置,这时由于惯性其会反向运动,由芯片控制与其相对的风机吹风，阻止惯性,让其缓缓静止。发挥部分 1、先由一个风机的风力提供向心力，后与其相邻的风机启动转动 45度后停止，后启动的风机作向心力，相邻的另一个风机启动，以此循环往复。可形成圆形。5.2 测试条件与仪器测试条件：检查多次，硬件电路必须与原理图相同并且检查无误硬件电路无虚焊。测试仪器：诺基亚 5110显示屏 串口调试小助手 PID 上位机5.3测试结果及分析5.3.1测试数据A 硬件测试检验方法：推动一下摆杆要能够旋转自由摆动，对电路板通电，看一下各电子器件工作情况是否有异常过热。检测结
13、果：各电路均无短路、短路的现象，焊点无虚焊现象。机械结构良好，摆杆能够灵活旋转。B 软件硬件联调测量并记录偏移距离与陀螺仪测出的 x y轴数据如下表表格 1方形风机偏移距离（距竖直方向）cm0 2 4 6 8 10 12 14 16 18陀螺仪测出的 x轴数据2030 2060 2090 2120 2130 2150 2180 2210 2250 2290陀螺仪测出的 y轴数据2050 2060 2110 2140 2150 2170 2200 2220 2240 2310通过多次测量，得出陀螺仪传感器 X轴数据与偏移距离的值基本成线性关系，整个系统精度较高，基本满足题目指标要求。表格 2 摆
14、动距离与加速度之间的关系距离（cm） 加速度 距离（cm） 加速度0 716 0 71615 752 -15 67820 765 -20 66625 776 -25 65430 788 -30 6436结论和总结6.1对设计的小结此风力摆控制系统装置，总体结构简洁、大方，底座等材料还属于废品重新利用，符合可持续发展的环保道路，而且其构造稳固，有利于系统性能的发挥。检测出来的数据显示，其总体性能比较好，机械性能不错，如果经济允许，换上更加优质的元器件，其性能会更加完美。6.2设计收获体会通过这次比赛，我们收获匪浅。学到了很多全新的知识，比如 PID算法，更加了解陀螺仪传感器的使用和性能；在制作的过程中遇到了很多困难，但我们相互安慰、鼓励，从不言弃，努力找出原因、突破难点，一步一步走向目的地；最重要的是这四天三夜的奋战曾强了我们的合作精神，促进了我们的友谊！6.3对设计进一步完善的建议1、部分材料可能可以选取更轻便的材料；2、部分结构可以合并到一起，减少工艺结构；3、如果经济允许，可以换上性能更加好的元器件；4、机械结构的构架和稳定性待加强； 5、深入学习 PID算法，设计更加简洁、完善的程序。
