2015电子设计大赛—B题风力摆器件论证与选择.doc

器件论证与选择单片机比较方案一：采用传统的51系列单片机。传统的51单片机为8位机，价格便宜，控制简单，但是运算速度慢，片内资源少，存储容量小，难以存储大体积的程序和实现快速精准的反应控制。并且受时钟限制，计时精度不高，外围电路也增加了系统的不可靠性。方案二：采用以增强型80C51内核的STC系列单片机STC12C5A60S2，其片内集成了60KB程序Flash，2通道PWM、16位定时器等资源，操作也较为简单，具有在系统调试功能（ISD），开发环境非常容易搭建。但实际使用了三维角度传感器等对速度要求较高的外设，因此无法很好地符合设计的需要。方案三：采用以ARM Cortex-M3为内核的STM32F1系列控制芯片，STM32系列芯片时钟频率高达72MHz，具有64K字节SRAM，512K字节的FLASH容量，具有极强的处理计算能力。较为适合需要快速反应的 XX 系统。通过比较，我们选择方案三，采用STM32F3系列单片机STM32F107作为控制器电机速度控制方案一：采用D/A变换电路将数字量转换成控制电机电压的模拟量。再利用电平的高低达到调速的目的。原理框图如图1所示。本方案达到了利用CPU输出的数字量精确控制模拟量的目的。但原电路比较复杂，成本较高。 方案二：采用脉宽调制方式（PWM）从I/O口输出不同占空比的脉冲，经滤波后获得不同高低电平控制电机。本方案可以达到对速度的控制要求，且控制简单易实现。 通过比较明显方案二最单洁清晰、容易实现、速度快、精度高。从系统指标要求来看，对速度要求较高，低速与高速之间差别较大，且准确度要求高，各个速度之间的切换也要求简单、迅速。采用方案二可利用单片机运行速度快的特点进行速度的快速调整，且方案二速度准确度高、级数多容易达到系统指标要求，所以我们选用方案二作为控制部分具体实施的方案。电机驱动方案一：采用自搭接的H桥电路选用大功率达林顿管或场效应管自制H桥电路，电路原理简单，具有高效，低功率等特点，但是性能不够稳定，电路调试复杂。方案二 采用芯片L298驱动电机，用单片机控制L298的输入使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。 电子开关的速度很快， 稳定性也极强。 但驱动电流小，无法驱动更大功率的电机，限制了其应用范围。综合以上分析，电机驱动芯片L298N电路设计简单、抗干扰能力强、可靠性好，所以选择方案二角度传感器选择方案一、采用模拟三轴加速度计MMA7260,MMA7260QT是检测物件运动和方向的传感器，它根据物件运动和方向改变输出信号的电压值。通过TCL2543（12位开关电容型逐次模数转换器）A/D转换器读取输出信号，检测其运动和方向。此外精确度高、低功耗、成本低，控制系统电路更加简洁，可靠性更高。方案二、采用数字的加速计，通过数字加速计可以直接将检测信号给控制器，精度高的价格较贵。?方案一：采用倾角传感器SCA100T-D02。SCA100T-D02是一种静态加速度传感器，当加速度传感器静止时（也就是侧面和垂直方向没有加速度），作用在它上面的重力加速度。重力（垂直）和加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角。它测量的角度为X轴和Y轴正负九十度，能够满足题目的要求。方案二：采用水平角度传感器AS5040。这款芯片是一种非接触、高分辨力编码、在零度到三百六十度范围内进行角度测量的传感器芯片。AS5040是一个完整的偏上系统解决方案，它将霍尔元件、模拟前端和数值信号处理器、接口检录集成在单个芯片中。它提供磁钢和增量信号和绝对角度位置，可以放在芯片的上面或下面。经过讨论，虽然这AS5040款传感器能够满足角度的要求，但是实际不好安装到单摆上，安装不好误差非常大，所以我们小组没有采用此芯片。所以我们采用用SCA100T-D02。方案三：MPU-6050为整合性6轴运动处理组件（三轴陀螺仪 + 三轴加速度），其角速度全格感测范围为250、500、1000与2000/sec (dps)，可准确追踪快速与慢速动作。具有精度高，算法的选择方案一、采用模糊控制算法,?模糊控制有许多良好的特性,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,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和运算时间。综合比较以上两个方案，本系统选择方案二。（ 2.5算法的选择我们采用PID算法。PID控制是过程控制领域中应用最普遍的控制规律，它是通过改变调节器参数来实现的。首先计算控制量的增量： ?ui?ui?ui?1又可写为： ?ui?Kp*eK?eK?1?Ki*eK?Kd*eK?2eK?1?eK?2其中ui 为第k 次采样时刻的控制信号，eK为第K次采样时刻的偏差信号。Kp、Ki、Kd分别为比例系数、积分系数和微分系数。增大比例系数Kp，系统的动作变灵敏，速度加快，稳态误差减小；但振荡次数也会加多，调节时间加长。积分控制使系统的稳定性下降，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。微分控制可以改善动态特性，它对偏差的变化趋势进行超前调整，从而可以有效地提高系统的动态性能，加大阻尼，减小超调量。该方案理论成熟，但是实际实现起来较为复杂，比例，积分，微分三个控制环节的控制系数较难确定，因而调节周期可能会很长。我们通过PID算法使激光笔较快较准确地找回水平线，此方法误差非常小。）无线模块的选择方案一：采用电磁线圈等电子器件搭接无线接收发送电路，由于无线通信对电子器件性能的要求比较高，用分立元件组成的电路存在很大的外界干扰和发送信号的频率的不确定性。方案二：选择工作于24GHz频段的nRF24L01射频芯片，并由超低功耗单片机MSP430F1232控制实现短距