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1、 全国大学生电子设计竞赛风板控制装置（风板控制装置（I 题）题）【高职高专组高职高专组】2摘摘 要要 本系统通过对直流小风扇风速的调节实现对风板转角的控制，使风板转 角能够随风速变化而改变，且能快速达到设定角度并稳定。IAP15F2K61S2 单 片机为控制核心，通过键盘设定风板板角度，1602 实时显示角度。单片机输出 PWM 波控制风扇的风速，通过 GY521mpu-6050 测量风板的倾角反馈至单片机， 采用 PID 控制经典算法，使系统实现精确控制，然后微调风速的大小使风板角 度达到稳定。并且在达到设定范围时进行声光提示。通过调试与测试，实现了 基本部分与发挥部分，最终实现在悬挂重物的
2、情况下风板能达到设定角度控制， 且最终绝对值误差不超过 5 度. 关键字：关键字：1602;1602; GY521mpu-6050GY521mpu-6050;PWM;PIDPWM;PID 算法算法1目目 录录1 系统方案 .1 1.1 角度测量方案选择.1 1.2 风扇控制方案选择.2 1.3 显示方案选择.2 1.4 控制器方案选择.2 2 系统理论分析与计算 .3 2.1 风扇调试原理.3 2.2 角度测量原理.3 2.3 PID 控制算法的分析.3 3 电路与程序设计 .4 3.1 电路的设计.4 3.1.1 系统总体框图.4 3.1.2 角度检测电路.4 3.1.3 风扇驱动电路.5
3、3.1.4 按键及显示电路.5 3.1.5 电源电路.6 3.2 程序的设计.6 3.2.1 程序功能描述与设计思路.6 3.2.2 程序流程图.6 4 测试方案与测试结果 .7 4.1 测试方法与仪器.7 4.2 测试过程及数据.7 4.3 测试分析与结论.8 附录 1：电路原理图 .10 附录 2：实物图 .1121 系统方案系统方案根据题目要求,本系统可以分为控制部分和信号检测部分.控制部分则包括显示模 块、按键模块、声光报警模块、风扇驱动模块四个基本部分。信号检测部分为角度测 量模，测量风板的角度。下面分别论证这几个模块的选择。1.1 角度测量方案选择角度测量方案选择方案一：采用 MM
4、A7260 重力加速度传感器，由于加速度传感器在静止放置时受 到重力作用，因此会有 1g 的重力加速度。利用这个性质，通过测量重力加速度在加速 度传感器的 X 轴和 Y 轴上的分量，可以计算出其在垂直平面上的倾斜角度。根据如图 1.1 所示，有 Ax = gsin，Ay =gcos 。则=tan 即 =arctan().这样，根AyAx AxAy据以上原理一个 2 轴加速度传感器可以测量在 X-Y 平面上的倾斜角度。该方案原理简 单，操作方便，但使用起来运算量较大，程序较为复杂，对于单片机来说，会显得有 点吃力，因此我们放弃选用该方案。图 1.1 加速度传感器角度测量原理方案二：MPU-600
5、0 为全球首例整合性 6 轴运动处理组件，相较于多组件方案，免 除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间。MPU-6000 能以 数字输出 6 轴或 9 轴的旋转矩阵、四元数(quaternion)、欧拉角格式(Euler Angle forma) 的融合演算数据。内建之运作时间偏差与磁力感测器校正演算技术，免除了客户须另 外进行校正的需求。符合设计要求，同时也是我们平时有接触的模块。故综合考虑实 际中选择方案二。1.2 风扇控制方案选择风扇控制方案选择方案一：采用可控硅控制调速，通过控制双向可控硅的导通角，使输出端电压发 生改变，从而使施加在电风扇的输入电压发生改变，以调
6、节风扇的转速，实现各档位 风速的无级调速。但可控硅控制控制原理决定了只能滞后触发，因此，晶闸管可控制 整流器对交流电源来说相当于一个感性负载，吸取滞后的无功电流，因此功率因素低。 并且晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，而且脉波数总是有限的。如果主电路电感 不是非常大，则输出电流总存在连续和断续两种情况，因而机械特性也有连续和断续 两段，因此功率因素低，故我们不选用该方案。 方案二：采用直流斩波控制，改变电压输出开关断时间，将直流电源电压断续加 到负载上，即可实现风扇调速控制，它具有效率高、体积小、成本低等优点。我们可3以采用单片机由软件来实现 PWM 波，简化系统硬件设计，通过改变 PWM 波
7、的占空比 的值即可改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。再加上 PID 算法控制，而整 个系统的 PWM 波形的产生是通过 PID 算法调节 ，这样提高了系统的稳定性和可 靠性，让 系统控制更加精确。故综合考虑实际中选择方案二。1.3 显示方案选择显示方案选择方案一：使用数码管显示，通过数码管显示被测角度和设定角度。该方案程序简 单，但硬件占用单片机 I/O 口较多，对于尽量节约端口，让线路简单来说不是好方法， 而且显示也不够直观灵活，只能显示数字，不能显示汉字显示功能提示， 故不适合本次设计应用。方案二：使用液晶屏 LCD1602，具有体积小，使用方便等特点。并且可以显示字 母，数字等功能，观察显示很直观，通过字幕显示各种菜单界面 、设定角度、测量角 度等。该方案程序较复杂，但显示观察清晰，显示直接明白，完全符合本系统设计功 能。故为最佳方案，我们选择方案二。1.41.4 控制器方案选择控制器方案选择方案一：采用 FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器；将所有的器件集成 在一块芯片上，这样外围电路较少，控制板的体积小，稳定性
