基于STC12C5A60S2芯片的風(fēng)力擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院　賀小龍安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)金融學(xué)院　孫慧宇

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基于STC12C5A60S2芯片的風(fēng)力擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院賀小龍
安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)金融學(xué)院孫慧宇

【摘要】本文利用陀螺儀采集風(fēng)力擺姿態(tài)角，單片機(jī)在接收姿態(tài)角數(shù)據(jù)并處理后，通過(guò)控制PWM（脈沖寬度調(diào)制）波占空比來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力擺在僅受直流風(fēng)機(jī)為動(dòng)力控制下快速起擺、畫(huà)線、恢復(fù)靜止的功能，并能準(zhǔn)確畫(huà)圓，且受阻風(fēng)力影響后能夠恢復(fù)畫(huà)圓狀態(tài)。經(jīng)過(guò)測(cè)試表明該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力擺；陀螺儀；STC12C5A60S2；PWM

隨著現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)的飛速發(fā)展，形成了新一代的微控系統(tǒng)，系統(tǒng)采用微型計(jì)算機(jī)作為測(cè)控系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的常規(guī)電子電路。風(fēng)力擺控制系統(tǒng)是基于風(fēng)力來(lái)控制物體運(yùn)動(dòng)的測(cè)控系統(tǒng)，它在原有的基礎(chǔ)控制類型中加入新型控制力量風(fēng)，利用幾個(gè)流風(fēng)機(jī)組合成風(fēng)力擺，利用流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)扇葉形成風(fēng)，利用空氣的流動(dòng)性和作用力與反作用力定律實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。本系統(tǒng)采用STC公司的STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，輔以角速度傳感器、直流風(fēng)機(jī)、鍵盤(pán)、LCD顯示、電源等模塊組成一測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力擺的運(yùn)動(dòng)。

1　系統(tǒng)方案論證

我們根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要設(shè)計(jì)一個(gè)風(fēng)力擺系統(tǒng)該。系統(tǒng)可以驅(qū)動(dòng)各風(fēng)機(jī)使風(fēng)力擺按照一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，激光筆在地面上畫(huà)出相應(yīng)的軌跡。該系統(tǒng)是一個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)該包括檢測(cè)單元、控制單元、執(zhí)行單元、人機(jī)交互單元組成。其中檢測(cè)單元主要為擺桿擺動(dòng)角度的檢測(cè)，即所謂的角速度傳感器模塊；將檢測(cè)到的角度信息送到控制單元進(jìn)行進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理后形成控制命令發(fā)送至執(zhí)行單元；執(zhí)行單元主要完成對(duì)直流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整來(lái)控制風(fēng)速的大小。系統(tǒng)中還加入了人機(jī)互交模塊，有鍵盤(pán)輸入、液晶顯示輸出使系統(tǒng)更加人性化，更易于操作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

下面分別論證主控、角度傳感、風(fēng)力擺、電源和人機(jī)交互等模塊的選擇。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1風(fēng)力擺模塊的比較與選擇

方案一：采用2只直流風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)。采用2只風(fēng)機(jī)并排同向而立，分別位于擺桿兩側(cè)，通過(guò)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制風(fēng)力擺使激光筆畫(huà)線畫(huà)圓。此方案風(fēng)力擺負(fù)載輕，但風(fēng)力擺擺動(dòng)過(guò)程中狀態(tài)微調(diào)和快速靜止不易實(shí)現(xiàn)。

方案二：采用三個(gè)小型可調(diào)速的直流電機(jī)組合：將三個(gè)直流風(fēng)機(jī)組合成空間三角臺(tái)，可根據(jù)軟件的編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)控制三個(gè)直流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的不同從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力擺不同方向的擺動(dòng)，三個(gè)直流風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是體積小重量輕，有利于風(fēng)力擺的擺動(dòng)。

方案三：采用四個(gè)小型可調(diào)速的直流電機(jī)組合：四個(gè)直流風(fēng)機(jī)組合的正方體形體，可輕易實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)背對(duì)的風(fēng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)擺的直線擺動(dòng)，四個(gè)風(fēng)機(jī)的配合可實(shí)現(xiàn)指定角度的擺動(dòng)，組合的缺點(diǎn)是重量大。

方案選擇：綜合以上方案，最終確定方案三。

1.2角速度傳感器模塊的比較與選擇

方案一：只測(cè)量風(fēng)力擺關(guān)于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角。采用二維平面內(nèi)角位移傳感器測(cè)量風(fēng)力擺轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)關(guān)于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角，通過(guò)控制該偏轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)對(duì)流風(fēng)機(jī)的控制。該方案軟件處理繁瑣，且二維平面內(nèi)的角位移傳感器不利于測(cè)量風(fēng)力擺的空間位置，不利于實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力擺的精確控制。

方案二：選用雙軸傾角傳感器模塊LE-60-OEMLE-60-OEM，測(cè)量重力加速度變化，轉(zhuǎn)為傾角變化，可測(cè)量雙向。具有穩(wěn)定性高、低功耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。響應(yīng)速度為5Hz。它可以測(cè)量平衡板與水平方向的夾角，x，y方向可以測(cè)，但z軸不可測(cè)。且操作復(fù)雜，軟件處理難度大。

方案三：采用三維角度傳感器。用三維角度傳感器時(shí)刻測(cè)量風(fēng)力擺當(dāng)前姿態(tài)，通過(guò)處理采集的姿態(tài)角數(shù)據(jù)控制風(fēng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)。此方案可精確測(cè)量風(fēng)力擺當(dāng)前姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力擺的精確控制。

方案選擇：綜合比較以上方案，本系統(tǒng)選擇方案三。

1.3主控模塊的比較與選擇

方案一：51系列單片機(jī)。STC公司STC12C5A60S2/ AD/PWM系列單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī),速度快8-12倍。內(nèi)部集成2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力擺的控制，基于對(duì)該單片機(jī)較為熟悉，軟件操作起來(lái)更加便捷。

方案二：AVR系列的單片機(jī)。該系列單片機(jī)較于早期的51單片機(jī)，片內(nèi)資源更豐富，接口也更強(qiáng)大，同時(shí)采用的是RISC精簡(jiǎn)指令集，在運(yùn)行速度上較與51有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。而價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)也同樣存在。

方案三：ARM處理器。ARM處理器主要應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，兼容性好，大量使用寄存器執(zhí)行速度快。單從性能上講，AMR絕對(duì)強(qiáng)與AVR與51，但其價(jià)格昂貴，并不是很適合本次設(shè)計(jì)。

方案選擇：綜合比較以上方案，最終確定方案一。

2　測(cè)控方法

2.1陀螺儀測(cè)風(fēng)力擺姿態(tài)

采用高精度的陀螺加速度計(jì)MPU6050不斷采集風(fēng)力擺狀態(tài)角數(shù)據(jù)。MPU6050集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP。MPU6050和所有設(shè)備寄存器之間的通信采用400kHz的I2C接口，實(shí)現(xiàn)高速通信。且內(nèi)置的可編程卡爾曼濾波器，采用最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法精確測(cè)量風(fēng)力擺當(dāng)前狀態(tài)角。MPU6050對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別用了三個(gè)16位的ADC，將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量，通過(guò)DMP處理器讀取測(cè)量數(shù)據(jù)然后通過(guò)串口輸出。根據(jù)輸出的角度θ和加速度a判斷風(fēng)力擺狀態(tài)。陀螺儀原理圖如圖2所示。

圖2　陀螺儀原理圖

（1）當(dāng)θ=0，a=0時(shí)風(fēng)力擺處于原始位置的靜止?fàn)顟B(tài)；

（2）當(dāng)θ達(dá)到最大，a=0時(shí)風(fēng)力擺處于擺角最大的靜止?fàn)顟B(tài)；

（3）當(dāng)θ=0，a最大時(shí)風(fēng)力擺處于原始位置的加速狀態(tài)。

2.2風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)控制方法

風(fēng)力擺采用4只45W的直流風(fēng)機(jī)為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。姿態(tài)采集模塊采集風(fēng)力擺當(dāng)前姿態(tài)角，單片機(jī)處理姿態(tài)角信息調(diào)節(jié)輸出PWM的占空比，控制四只風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力擺的控制。

2.3風(fēng)力擺畫(huà)直線運(yùn)動(dòng)控制方法

四個(gè)風(fēng)機(jī)畫(huà)直線的方法是，吹動(dòng)相對(duì)面的兩個(gè)風(fēng)機(jī)，吹起其中一個(gè)風(fēng)機(jī)到達(dá)一定角度后停止，再啟動(dòng)另外一個(gè)風(fēng)機(jī)使風(fēng)力擺完成來(lái)回的擺動(dòng)，讓激光筆在地面上畫(huà)出直線段。如圖3所示，設(shè)物體的質(zhì)量為G，角度傳感器反饋值為θ，風(fēng)力擺框架的高度為y，所需畫(huà)線的長(zhǎng)度為x。

由牛頓第二定律可知：

所以要達(dá)到畫(huà)線的長(zhǎng)度x，可算出風(fēng)力擺需要達(dá)到的角度θ，隨即可知風(fēng)力擺需要提供的動(dòng)力F，通過(guò)軟件PWM調(diào)節(jié)占空比，使風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定程度即可是風(fēng)機(jī)吹出的風(fēng)力達(dá)到F。

2.4風(fēng)力擺畫(huà)圓運(yùn)動(dòng)控制方法

風(fēng)力擺畫(huà)圓運(yùn)動(dòng)需要四個(gè)風(fēng)機(jī)的配合，兩個(gè)風(fēng)機(jī)的風(fēng)力提供畫(huà)圓的向心力，其他風(fēng)機(jī)配合提供線速度需要的力，如圖4所示，F(xiàn)1和T的合力提供向心力，F(xiàn)2提供做圓周運(yùn)動(dòng)的水平力。利用PID算法配合控制PWM波的占空比可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力擺的控制。風(fēng)機(jī)開(kāi)始工作后，姿態(tài)采集模塊不斷采集當(dāng)前風(fēng)力擺姿態(tài)角狀態(tài)，并與之前的狀態(tài)比較，使得風(fēng)力擺的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)逐漸趨向于平穩(wěn)。PID算法控制器由舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度比例P、角度誤差積分I和角度微分D組成。

其輸入e (t）與輸出U (t）的關(guān)系為：

它的傳遞函數(shù)為：

圖3

3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)方案論證采取的方案，該測(cè)控系統(tǒng)由STC12C5A60S2單片機(jī)做控制芯片，WWD35D4導(dǎo)電塑料電位器作為角度傳感器，四個(gè)直流吹風(fēng)機(jī)做風(fēng)力擺，12864為顯示屏。系統(tǒng)總框圖如圖3所示。

4　總結(jié)

通過(guò)角度傳感器將采集到的信息反饋給單片機(jī)，融合PID算法和PWM調(diào)速功能，精確控制直流風(fēng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)畫(huà)直線、畫(huà)圓功能。該系統(tǒng)較好的完成了設(shè)計(jì)要求，并且具有精確度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)從軟件到硬件都體現(xiàn)優(yōu)良簡(jiǎn)約的風(fēng)格；系統(tǒng)主要具有采用高精度的陀螺儀，提高精確度；程序算法優(yōu)良，易于誤差處理，風(fēng)機(jī)控制更穩(wěn)定LCD液晶顯示，界面友好等特點(diǎn)。

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