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1、气浮球控制实验系统及测量方法气浮球控制实验系统及测量方法本发明公开了一种基于PID控制技术的气浮球控制实验系统及测量方法。本发明包括超声测距模块、控制驱动模块、位置监控模块；超声测距模块用于测量气浮球的位置，并将位置信息传送给控制驱动模块；控制驱动模块包括串口通信电路、MCU控制电路和功率放大电路；位置监控模块包括位置显示单元和位置设定单元；位置设定单元设定浮球的位置，通过串口得到其当前位置信息并显示在位置显示单元，超声波测距模块将浮球的位置信息通过控制驱动模块传给位置显示单元，控制驱动模块通过PID算法和其模块内的功率放大电路控制浮球的运动，使其按目标位置信息规定进行相应的运动。本发明控制简
2、单、更加直观；解决了传统实验平台各自相互独立的问题。【专利说明】气浮球控制实验系统及测量方法【技术领域】0001本发明涉及自动控制领域，主要是一种基于PID控制技术的气浮球控制实验系统及测量方法。【背景技术】0002当前自动化类专业的自动控制原理实验一般基于MATLAB仿真平台实现，未能很好地和控制对象结合起来。和控制对象结合起来的几类实验，则都是专业实验，比如过程控制实验、电机控制实验、倒立摆实验等，由于涉及的对象较复杂且需较多其他专业知识，学生很难从头到尾参与到整个实验环节中来，不利于对基本控制原理的理解与掌握，实验效果并不理想。通过文献检索，国内外目前应用于实验、研究的类似系统多为磁浮球
3、实验系统，气浮球实验系统并未有成熟的产品。本课题将气浮球作为实验对象，更适合本科学生的课程教学实验，研究具有一定的创新性。【发明内容】0003本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于PID控制技术的气浮球控制实验系统及测量方法。0004气浮球控制实验系统，包括超声测距模块、控制驱动模块、位置监控模块；所述的超声测距模块用于测量气浮球的位置，并将位置信息传送给控制驱动模块；所述的控制驱动模块包括串口通信电路、MCU控制电路和功率放大电路；所述的位置监控模块包括位置显示单元和位置设定单元； 所述的控制驱动模块接收来自超声测距模块的浮球位置信息，再通过串口通信电路将浮球位置信息发送给位置监控模
4、块中的位置显示单元；同时控制驱动模块接收来自位置监控模块中位置设定单元输入的浮球目标位置信息，并将该信息与超声测距模块的浮球位置信息做比较，并通过PID算法计算出当前的风扇驱动量后调节风扇风力实现将浮球控制到目标位置； 位置监控模块中的位置设定单元输入浮球目标位置信息，位置监控模块将输入的目标位置信息发送给控制驱动模块中的MCU控制电路，MCU控制电路根据浮球目标位置和当前位置计算出PWM波的占空比并产生相应占空比的PWM波，通过PWM波驱动功率放大电路控制风扇风速；位置显示单元接收来自控制驱动模块的浮球信息，用于显示浮球的位置或运动轨迹； 所述的串口通信电路包括第一芯片Ul、USB接口、第一
5、晶振Yl、第一电容Cl、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4 ;第一芯片Ul的第六引脚与第一电容Cl的一端相连接，第一电容Cl的另一端接地；第一芯片Ul的第七引脚与USB接口的第三引脚相连接，第八引脚与USB接口的第二引脚相连接；第一芯片Ul的第九引脚同时与第四电容C4的一端、第一晶振Yl的一端相连接，第四电容C4的另一端与第一芯片Ul的第十九引脚相连接，并同时接地；第一芯片Ul的第十引脚同时与第一晶振Yl的另一端、第三电容C3的一端相连接，第三电容C3的另一端接地；第一芯片Ul的第十三引脚同时与第一芯片Ul的第二十引脚、第二电容C2的一端相连接,并同时接5V电压；第一芯片Ul的第 引脚同
6、时与第一芯片Ul的第十二引脚、第二电容C2的另一端相连接，并同时接地；USB接口的第一引脚接5V电压，第五引脚接第六引脚，第四引脚接地； 所述的MCU控制电路2-2，包括第二芯片U2，所述的第二芯片U2的第六十八引脚和第六十九引脚分别与第一芯片Ul的第四引脚和第三引脚相连接；第二芯片U2的第三十一引脚与第三电阻R3的一端相连接；第二芯片U2的第六引脚、第十一引脚、第二十一引脚、第二十二引脚、第二十八引脚、第五十引脚、第七十五引脚和第一百引脚接3.3V电压；第二芯片U2的第十引脚、第十九引脚、第二十引脚、第二十七引脚、第四十九引脚、第七十四引脚和第九十九引脚均接地； 所述的功率放大电路2-3，包
7、括的电机驱动芯片U3、NPN三极管Ql、发光二极管Dl、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第五电容C5、第六电容C6、第一接口器Jl和第二接口器J2 ； 电机驱动芯片U3的第一引脚接地，第二引脚同时与第二电阻R2的一端、NPN三极管Ql的集电极相连接，第二电阻R2的另一端接5V电压，NPN三极管Ql的基极与第三电阻R3的另一端相连接，NPN三极管Ql的发射极接地；电机驱动芯片U3的第三引脚与第四电阻R4的一端相连接，第四电阻R4的另一端接5V电压；电机驱动芯片U3的第五引脚、第六引脚分别与第五电阻R5、第六电阻R6的一端相连接,第五电阻R5、第
8、六电阻R6的另一端接地；电机驱动芯片U3的第七引脚同时与第五电容C5的一端、第六电容C6的一端、第二接口器J2的第二引脚相连接，第五电容C5和第六电容C6的另一端、第二接口器J2的第一引脚均接地；电机驱动芯片U3的第八引脚同时与发光二极管Dl的正极、第一接口器Jl的第二引脚相连接，发光二极管Dl的负极与第一电阻Rl的一端相连接，第一电阻Rl的另一端、第一接口器Jl的第一引脚均接地。0005所述的超声测距模块I使用型号为HC-SR04的测距模块。0006所述的第一芯片Ul的型号为CH341 ;第一晶振Yl为12M;第一电容Cl为0.01 uF,第二电容C2为0.luF，第三电容C3和第四电容C4
9、为20pF ;所述的第二芯片U2的型号是基于32位的ARM Cortex-M3处理器STM32F103VBT6 ;所述的电机驱动芯片U3型号为BTS7960。0007一种气浮球的测量方法，具体包括如下步骤: 步骤1.对超声测距模块、控制驱动模块、位置监控模块进行初始化； 步骤2.位置监控模块中的位置设定单元输入浮球目标位置信息，位置监控模块将输入的目标位置信息发送给控制驱动模块中的MCU控制电路，MCU控制电路根据浮球目标位置和当前位置计算出PWM波的占空比并产生相应占空比的PWM波，通过PWM波驱动功率放大电路控制风扇风速； 所述的MCU控制电路具体工作如下: 打开MCU控制电路中的MCU的
10、定时器和中断，输出设定的PWM波，通过功率放大电路驱动风扇，使气浮球开始浮动；同时超声测距模块开始测量浮球的位置，并实时将数据传送给MCU控制电路；同时MCU控制电路通过串口读取位置监控模块发送的浮球目标位置信息，并对浮球目标位置信息与浮球当前位置进行比较，使用PID算法对浮球进行稳定控制；MCU控制电路实时检测位置监控模块发送的浮球目标位置信息，并根据收到的浮球目标位置信息随时更改PID控制算法数据和控制浮球的运动； 步骤3.超声测距模块时刻检测浮球位置信息，并将浮球位置信息发送给控制驱动模块，控制驱动模块再通过串口通信电路将浮球位置信息发送给位置监控模块；位置监控模块中的位置显示单元显示浮
11、球位置信息； 所述的位置监控模块包括位置显示单元和位置设定单元； 位置显示单元接收来自控制驱动模块的浮球信息，用于显示浮球的位置或运动轨迹；位置设定单元用于设定浮球的目标位置，并将浮球目标位置信息发送给控制驱动模块。0008所述的浮球目标位置信息包括浮球高度或者浮球运动轨迹，其中浮球运动轨迹包括正弦波、三角波、方波；所述的PWM波的相应占空比能够通过PID算法、模糊控制算法、神经网络算法得到。0009本发明所具有的有益效果: (I)传统经验了解到磁浮球控制算法复杂，作为本科实验教学并不合适。本课题参照磁浮球实验系统，以乒乓球作为浮球控制对象，系统控制简单，更加直观，更适合于本科学生教学实验。0
12、010(2)此平台有效融合了自动控制原理、单片机、嵌入式系统等知识，解决了传统实验平台各自相互独立的问题。通过此实验平台，可以有效引导学生学会如何将所学知识相互融会贯通，有利于学生实际问题解决能力培养。【专利附图】【附图说明】0011图1是本发明的硬件连接框图； 图2是本发明的串口通信电路图； 图3是本发明的MCU控制电路图； 图4是本发明的功率放大电路图；【具体实施方式】0012下面结合附图对本发明进一步说明。0013如图1所示，气浮球控制实验系统，包括超声测距模块1、控制驱动模块2、位置监控模块3。0014超声测距模块I使用型号为HC-SR04的测距模块，系统工作时将气浮球的位置通过超声波
13、测量模块I测量出来，然后传送给控制驱动模块2进行处理。0015控制驱动模块2包括串口通信电路2-l、MCU控制电路2-2、功率放大电路2_3。位置监控模块3包括位置显示单元3-1和位置设定单元3-2。0016控制驱动模块2接收来自超声测距模块的浮球位置信息，再通过串口通信电路2-1将浮球位置信息发送给位置监控模块3中的位置显示单元3-1，用于显示浮球位置信息；同时控制驱动模块2接收来自位置监控模块3中位置设定单元3-2输入浮球目标位置信息，并将该信息与超声测距模块的浮球位置信息做比较，并采用算法，计算出当前的风扇驱动量后调节风扇风力，最终实现将浮球控制到目标位置， 位置监控模块3中的位置设定单
14、元3-2输入浮球目标位置信息，位置监控模块3将输入的目标位置信息发送给控制驱动模块2中的MCU控制电路2-2，MCU控制电路2_2根据浮球目标位置和当前位置计算出PWM波的占空比并产生相应占空比的PWM波，通过PWM波驱动功率放大电路控制风扇风速；位置显示单元3-1接收来自控制驱动模块2的浮球信息，用于显示浮球的位置或运动轨迹； 如图2所示，串口通信电路2-1包括第一芯片U1、USB接口、第一晶振Y1、第一电容Cl、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4。第一芯片Ul的第六引脚与第一电容Cl的一端相连接，第一电容Cl的另一端接地；第一芯片Ul的第七引脚与USB接口的第三引脚相连接，第八引脚与
15、USB接口的第二引脚相连接；第一芯片Ul的第九引脚同时与第四电容C4的一端、第一晶振Yl的一端相连接，第四电容C4的另一端与第一芯片Ul的第十九引脚相连接，并同时接地；第一芯片Ul的第十引脚同时与第一晶振Yl的另一端、第三电容C3的一端相连接，第三电容C3的另一端接地；第一芯片Ul的第十三引脚同时与第一芯片Ul的第二十引脚、第二电容C2的一端相连接,并同时接5V电压；第一芯片Ul的第 引脚同时与第一芯片Ul的第十二引脚、第二电容C2的另一端相连接，并同时接地；USB接口的第一引脚接5V电压，第五引脚接第六引脚，第四引脚接地。0017所述的第一芯片Ul的型号为CH341 ;第一晶振Yl为12M;
16、第一电容Cl为0.01 uF,第二电容C2为0.luF，第三电容C3和第四电容C4为20pF ； 图3为MCU控制电路2-2，包括第二芯片U2，所述的第二芯片U2的第六十八引脚和第六十九引脚分别与第一芯片Ul的第四引脚和第三引脚相连接；第二芯片U2的第三十一引脚与第三电阻R3的一端相连接；第二芯片U2的第六引脚、第十一引脚、第二十一引脚、第二十二引脚、第二十八引脚、第五十引脚、第七十五引脚和第一百引脚接3.3V电压；第二芯片U2的第十引脚、第十九引脚、第二十引脚、第二十七引脚、第四十九引脚、第七十四引脚和第九十九引脚均接地； 所述的第二芯片U2是整个控制驱动模块的核心控制芯片，是基于32位的ARMCortex-M3处理器STM32F103VBT6，负责协调整个系统的工作，包括风扇驱动信号的输出、串
