风力摆控制系统

1、风力摆控制系统摘要本系统是基于STC15F2K60S2单片机的风力摆控制系统，其中包含轴流风机及其调速模块、电源模块、角度检测模块、键盘及显示模块等。根据单摆运动和圆周运动的基本原理，分别计算其方位角度和幅度，对轴流风机的单摆运动和圆周运动进行指定路径的控制。在控制过程当中，根据基本模式和发挥模式的要求，确定初始的方位角度和幅度，并设置出运动的轨迹，利用三维角度传感器ADXL345进行角度的实时检测，并将其换算为轴流风机的方位和角度。最后通过与预定的方位角度的值来设置各个风机控制信号的占空比，从而控制轴流风机的运转。当检测到风机的方位位置到达指时定的位置时，将风机的运行模式切换到停止模式，使得

2、风机在指定的时间内到达预定的轨迹。关键字：STC15F2K60S2 ADXL345 PWM 轴流风机AbstractThis system is based on the STC15F2K60S2 microcontroller of the wind pendulum control system, which contains the axial flow fan and its speed control module, power module, angle detection module, keyboard and display module, etc. According to

3、 the basic principle of pendulum motion and circular motion, respectively, to calculate the azimuth angle and magnitude, of axial flow fan pendulum and the circular motion of specified path control. In the control process, according to the basic mode and the requirements of the model, determine the

4、initial direction and amplitude, and set up the trajectory of the movement, the use of three-dimensional angle sensor ADXL345 real-time detection, and its conversion to the axial flow fans position and angle. Finally, the duty ratio of the control signal of each fan is set up by the value of the pre

5、determined azimuth angle. When the position of the wind turbine is detected, the operating mode of the fan is switched to the stop mode, which makes the wind turbine reach the predetermined trajectory within the specified time.Key words: ADXL345 PWM STC15F2K60S2 axial flow fan目录1系统方案51.1 模块论证与选择52 理

6、论分析与计算72.1 单摆运动受力分析82.2 圆周运动受力分析93系统设计103.1 系统结构103.2 电路设计103.2 软件设计134 系统调试与测试144.1 测试仪器144.2 基本要求测试数据144.3 结果分析155总结15附录：161 电路原理图162 仪器设备及元器件清单163 程序清单171系统方案本系统的功能是要控制风力摆，使它下面悬挂的激光笔可以画出题目要求的直线段或者圆，并且方向大小可以控制。所以本系统主要由主控制器模块、电源模块、角度检测模块、轴流风机、按键及显示模块组成。图1-1系统框图1.1 模块论证与选择(1) 主控制器模块方案一：选用高速、高可靠、低功耗、

7、超强抗干扰的新一代8051单片STC15F2K60S2，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成高精度R/C时钟(0.3%)，1%温飘，常温下温飘0.6%，5MHz35MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路。3路CCP/PWM/PCA，8路高速10位A/D转换，内置2K字节大容量SRAM，2组高速异步串行通信端口，1组高速同步串行通信端口SPI，针对多串行口通信针对多串行口通信多串行口通信/电机控制/强干扰场合。方案二：选用TI公司的MSP430F5529，它是基于RISC架构的16位超低功耗单片机，采用精简指令集结构，指令均为单周期指令，功能强，运行速度

8、快。内部集成256KB闪存和16KB的RAM，在1.8V3.6V的工作电压范围内性能高达25MIPS，包含一个用于优化功耗的创新电源管理模块。其功耗已经达到了微安级。MSP430F5529内部集成有多通道、高速A/D抓换模块ADC12，能提供多通道12位精度的A/D转换，其最大采样速率可以达到200ksps。结论：综合以上分析，STC15F2K60S2即可达到题目所提要求，为节省成本，我们决定使用方案一。（2）轴流风机选用台达电子的AFC0612DE，尺寸为90*90*38mm，高精度双滚珠轴承，标准电压12V，电流2.5A，风量为39.17-180.97CFM，转速参考为550010%RPM

9、具备充足的散热风量和风压。（3）电源模块由于我们所选轴流风机标准电压为12V，所以电源选用s-15-12，输出12v电压，高效率，高可靠、低成本开关选择输入电压范围100%满负荷烧机测试保护特性：短路/过载。（4）角度检测模块方案一：陀螺仪是用高速回转的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或两个轴的角运动检测装置。它具有两个特性：定轴性和进动性，这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。其定轴性受一下物理量而改变：转子的转动惯量，转子角速度。其进动性由一下三个因素影响：外界作用力、转子转动惯量，转子角速度。方案二：ADXL345是一款小而薄的超低功耗三轴加速度计。分辨率高达13位，测量

10、范围达16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI或I2C数字接口访问。非常适合移动设备应用。它可以在倾斜检测中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。高分辨率，能够测量不到1.0的倾斜角度变化。结论：综合以上分析，ADXL345较为精简且精度较高，可以较好的控制，结合题目要求我们决定选用方案二。(5) 显示模块方案一：LCD240128显示器，结构轻、薄、带背光；IC 采用ST7567,功能强大，稳定性好；功耗低；可显示内容丰富，包括中文，英文，数字，符号等；指令功能强；接口简单方便:采用4 线SPI 串行接口；工作温度宽:-20 - 70。方案二: LCD16

11、02显示器，是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵液晶模块。与LCD12864相比最大的缺点是不能显示中文。结论：综合以上分析，由于我们的设计要求显示中文字符，所以最终选用方案一。2 理论分析与计算通过分析确定风力摆运动的控制算法。2.1 单摆运动受力分析图2-1单摆运动时风力摆受力示意图L:细管长度；:细管与垂直方向的夹角；x：要求实现的直线段长度；F：合力；F1：细管的拉力；根据图2可得如下公式：忽略空气阻力时，；（1）；（2）由（2）式可得：根据题目要求（1），要求画出大于50cm的直线段长度，即当x=50cm，L=70cm，h=20时：；根据题目要求（2），要求画出直线段长度在30

12、60cm内可设置，所以，根据（2式）得如下计算：x=60cm，L=70cm，h=20时，即最大角度：x=30，L=70cm，h=20时，即最小角度：通过以上计算可以知道，针对基本要求部分，风力摆的角度应该在9.46218.435内。由于角度较大，并非简谐振动，用如下公式计算大角度单摆周期：；由上式得：；2.2 圆周运动受力分析图2-2风力摆圆周运动模型及受力分析示意图F1：细管拉力的水平分量；F2：细管拉力的铅直分量；Fn：细管的拉力；风力摆做圆周运动时如图2-2所示，当所要求激光笔画出的半径确定时，图3中 角就可以确定，保持 角大小不变，可得公式：；（1）；（2）；（3）根据题目要求，当所画

13、圆的半径在1535cm之间，L=70cm，h=20cm时，通过（2），（3）式，我们可以算得：最大摆动角度：；周期：；最小摆动角度：；周期：；3系统设计3.1 系统结构图3-1系统结构图3.2 电路设计1 电源电路图3-2电源电路电源模块我们使用的S-15-12，提供的12V电压，接到继电器，开关控制风机通断，开通时给风机提供12V电压，使其正常工作，另外经过L7805转化为5V电压，为单片机提供5V供电电压，使其正常工作。我们通过一个按键来控制单片机的开关以及USB接口，这样有效的节约了资源并且方便使用。2主控制电路图3-3主控制电路主控制器电路为STC14F2K60S2最小系统。外接四块排

14、针引出端口，方便连接LCD12864显示屏，按键模块，ADXL345。P0口可复用为地址数据总线使用，不是做A/D转换使用。A/D转换通道在P1口。P5.4、RST/MCLKO脚出厂时默认为I/O口，做RST复位脚时，须在编程烧录时将其设置为RST复位脚（高电平复位）。内部集成高可靠复位和高精度晶振，但也可使用外部复位和晶振。3 按键电路图3-4按键电路五个按键在电路板上分为上、下、左、右、中间各一个，上按键控制向上一行，下按键控制向下一行，右按键控制返回上一页，做按键为复位功能使用，中间按键为确定键，实现对功能的选择作用。首先通过上下按键选择基础部分或者发挥部分，右键确认后再通过上下键选择具

15、体要求，即要完成的任务。4 显示电路图3-5显示电路通过LCD240128显示模式选择，通过按键选择基础部分或发挥部分，确认后屏幕将显示具体要求，通过上下按键选择具体要求即可。电路图中可见LCD12864的3管脚外接一个可变电阻，我们通过它来调节显示屏的亮度。这个模块是我们设计的亮点之一，属于发挥部分。5 风机接口电路图3-6风机接口电路两个风机接口连接两个风机，通过S-15-12电源提供12V供电电压，并外接一个按键开关，从而方便的控制风机的启停。同时，各个风机的1管脚连接CD4051输出的两个脉冲，从而控制风机的风速大小。6 角度检测电路图3-7角度检测电路三维角度传感器ADXL345的时

16、钟和数据管脚连接到单片机。在风力摆运行的过程中，三维角度传感器不断地将检测到的角度实时反馈给单片机，当达到要求角度时，控制风机的转换与启停。3.2 软件设计1主程序流程图主程序判断按键选择的功能，针对选择的功能进行控制，使机械完成要求的动作，同时显示动作是否成功达成，如果成功，将会显示动作成功。2功能选择模块流程图进入基本功能后，开始顺序进行基本要求四个功能，完成后显示动作成功完成。4 系统调试与测试4.1 测试仪器示波器、秒表、量尺、风速计4.2 基本要求测试数据基本要求1：长度（cm）时间（s）线性度偏差（cm）5072.5数据分析：根据实验测量，系统满足题目基本测试内容一的具体数据要求。

17、基本要求2：设定长度（cm）实测长度（cm）长度偏差（cm）时间（s）30311.08.240422.08.750491.09.2数据分析：从上表可知，设定3060cm内的长度，我们的系统可以较好地，以较高精度，2.0cm以内的误差完成指标。基本要求3：设定方向（度）实际方向（度）长度（cm）时间（s）0-319133027131760641519数据分析：由上表可知，在一定的角度内，可以完成题目的要求，但由于我们只使用了两个轴流风机，所以只能在一个象限内完成基本要求3的任务指标。基本要求4：拉起角度（度）回到静止时间（s）3510数据分析：由于我们的机械原因，产生各种误差，风机的平衡没办法精

18、确的掌握，所以要求四没有达到题目要求的指标。4.3 结果分析经过实验测试，在3060cm的长度设定内，可以精确的获得所要求的直线段长度。对于基本要求1，线性度误差控制在2.5cm之内，并且在较短的时间内完成动作，完全在题目要求的时间内，并有很大的余留。对于基本要求2，我们的系统将误差控制在了2.0cm之内，并且画出较高精度的直线段。基本要求3由于我们只用了两个风机，所以只能在一个向限内完成设定角度画直线段的要求。基本要求四由于机械原因，例如风机的安装，平衡，影响较大，所以没有完成题目要求的指标。5总结“实践是检验真理的唯一标准”，这是我们从这次竞赛中切身体会到的，经过我们坚持不懈的努力，周密的思考设计系统方案，合理构建各模块部件的性能指标