D题风力悬浮控制装置设计报告一

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    摘要:
    本文设计的风力悬浮控制装置采用以32位ARM处理器STM32F103ZET6为核心，完成圆盘在控制装置上方悬浮，根据不同是输入指令，圆盘能够上升到设定的高度完成稳定悬浮、做幅度不超过30mm或20mm的上、下浮动动作、保持在大于30mm的倾斜幅度、平稳回落到薄圆盘悬浮控制装置内等动作。在机械结构上，本风力悬浮控制装置选取大功率轴流风机，选用BTS7960全桥驱动电路控制风机，US-100超声波传感器测量圆盘上升高度。主控芯片使用PID算法实时准确调整各个轴流风机的PWM波控制圆盘完成指令。

    关键词: STM32F103ZET6、 圆盘、轴流风机、PID 算法

    1引言
按照题目的任务要求，设计一个风力悬浮控制装置，利用风力使薄圆盘在风力发生控制装置上某一高度悬浮、规定范围上下浮动5S以上，在悬浮过程中受到距离半米高度扔下的一元硬币干扰后快速恢复原有状态并保持5S以上,可以在完成sS悬浮后，再次平稳回落到控制装置上以及悬浮在指定高度后倾斜，幅度大于30mm;此外，还可以在悬浮到指定高度后，在薄圆盘内圆线上分4个点放入4枚五角硬币，硬币不滑落且悬浮5S后回落到控制装置上。

    2总体方案描述
电路结构以STM32F103ZET6单片机为核心，通过通用I/O口与外部设备进行连接。单片机通过扫描TFT显示屏触摸状态，接收控制指令:然后单片机读取US-100超声波传感器采集的圆盘高度信息，通过使用PID算法，发出特定的频率和占空比的PWM波，输出给电调模块，通过电调驱动12个轴流风机产生不同大小的风力，实现圆盘完成指定任务。

    风力悬浮控制系统原理框图如图1所示:



    2.1方案设计与比较
(1)处理器选型方案一、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。

方案二、MSP430 系列单片机。MSP430系列单片机是一种超低功率的混合信号处理器，其他片上资源也较为丰富，主频- -般有8M、16M 和25M，整型运算速度快，浮点运算较慢。

方案三、STM32F103 型ARM处理器。STM32F103 是- -种高性能、低成本、低功耗的32位单片机，具有Cortex-M3内核，方便进行各种运算，软件编程灵活，外设接口多，在线调试方便。风力悬浮控制系统对实时性有较高的要求，需涉及分别控制多个风机转速、圆盘位置和角度转换等多种运动方式，算法相对复杂。综合考虑，选择方案三。

(2)风机选型
方案一、直流无刷电机。推力非常大，调速快，质量轻，抗干扰能力很强且同型号电机性能相近，动力的正交性好。
方案二、空心杯。风速大，动惯性小，风力分散。
方案三、大功离轴流风机。风力稳定。易干控制。功耗低。风量大。抗干扰能力强，风力相对集中。
风力悬浮要求风机风量大，易控制，风力集中，故使用大功率轴流风机，即方案三。

    (3)风机驱动选择方案一、LM298. LM298 外部电路较为简单，单片即可驱动正反转，具有使能端，方便控制。理论最大电流为1. 5A，本次选用电机的最大电流为1. 5A.
    方案二、BTS7960 全桥驱动电路。智能功率芯片BTS7960是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯片，埋论最大电流为40A，驱动能力强，控制精度较高。
    本题对控速精度有一-定要求，故采用方案二。

    (4)风机摆放结构方案一:四个风机正方形摆放。风力小且分散。
    方案二:中间一个风机，第二层外围四个风机圆形摆放，第三层外围八个风机圆形摆放。风速大，风力相对集中。
    比较以上两方案，方案2能够完成圆盘悬浮，所以选择方案二。

    (5)圆盘的选择方案- -: PK板。密度1. 4g/cm',偏重，价格昂贵。
    方案二: PT板。密度0.2g/cm,较轻，风机吹起时易飘荡，不好控制。
    方案三:亚克力板。密度1. 2g/cm,重量适中，价格较低。
    综合考虑，选择性价比较高的亚克力板。

    (6)圆盘定高方案- -:采用红外定高。红外便宜，易制，测距精度低，距离近，方向性易受外界光照影响。
    力来_:采用微光测距。微光测距精度商，但是对伤害人体女全，且制做难度人，光学系统需要保持干净。
    方案三:采用US-100超声波测距。US- 100可采用电平和串口两种触发方式，易.
    于控制，传输距离精度大，数据稳定。
    经过比较，方案三能够较好的满足装置设计的需求。

    (7)显示屏 的选择方案一: OLED显示。OLED为自发光材料，不需要用到背光板、视角范围大、响应速度快、图像稳定、亮度高、色彩丰富、分辨率高。
    方案二: TFT液品。TFT分辨率高、字体小、色彩还原较好、可触摸控制。
    TFT屏幕大，触摸控制方便且容易操作，故选择TFT液晶作为显示同时起到触摸按键的作用。

    3理论分析与计算

    3.1圆盘悬浮工作原理
    风机风速通过 PID算法进行控制。先分别调节各个风机风速缓慢增加，使圆盘上升，超声故测出上升距离，当升到指定商度后土控调整PID使风速稳定，让圆盘悬浮。

    3.2控制算法
    3.2.1 PID 控制算法原理恒温恒湿安全小屋的温湿度控制主要采用PID的控制方法。现有的PID算法具有较好的稳定性和鲁棒性，在工业控制过程中，使用较为”“泛。PID控制系统的原理框图如图1-3所示:



PID调节器是线性的调节器，它把给定值rint (t)和实际输出值yout (t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)经过线性组合来获得控制量，对实际的控制对象进行控制。PID调节器的微分方程如下式:



PID调节器的传输函数



    PID调节器各校正环节的作用:
    (1)比例环节:即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t),当系统的偏差产生时，调节器可以马上产生控制作用用来减小偏差。
    (2)积分环节:主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI, TI越大，积分作用越弱，反之则越强。
    (3)微分环节:能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的旱期修正信号,从而加快系统的动作速度，减小调节时间。
    3.2.2模糊控制原理模糊控制把人类自然语句表达的控制策略,经过模糊集合和模糊逻辑推理过程转变成数字或数学函数，再利用计算机及相应设备去实现预定的控制动作。
    模糊控制的一般结构如图 3所示。



3.2.3 PID模糊控制算法控制具体工作原理(1)圆盘上下浮动与平稳落回控制装置圆盘到达指定高度后PID模糊控制风机缓慢减速，圆盘落下两厘米时再控    制风机缓慢加速， 如此反复完成浮动动作。当要回落到控制时，控制风机缓慢减速。
    (2)硬币干扰硬币下落到悬浮的圆盘上时，圆盘由于受到冲力下降，此时超声波会将盘下落位置传入主控，主控控制风机加速达到指定高度。
    (3)圆盘倾斜
    MPU9250能够测出圆盘的倾斜角度，传输给主控，主控调节PID变量分别控制不同风机使圆盘倾斜增加并在倾斜到规定指标后保持。
    4核心电路设计(1)电源模块电路设计系统电源整体采用220v转12v开关电源电池进行供电，通过稳压芯片7805获取5V直流电源为单片机供电另外通过集成LM1117-3.3V,用以提供3.3V的STM32主控芯片电源，电路原理图如下图所示。



    (2)主控MCU单元设计STM32F103型ARM处理器是一种高性能、低成本、低功耗的32位处理器，具有Cortex-M3内核，方便进行各种运算，软件编程灵活，外设接口多，在线调试方便。
    具有开发简单，性价比高等优点。其最小系统如图5所示。

    (3) US-100超声波传感器可实现2cm- -4. 5cm的非接触测距功能，自带温度传感器对测距结果进行校正，内带看门狗，工作稳定可靠。

    (4)风机驱动单元大功率轴流风机推力大，抗干扰能力强，能够将圆盘吹起，满足要求。BTS7960可以提供49A的电流，对于1. 5A的风机足够。

    5软件程序设计
控制系统软件基本流程图如图4所示，根据赛题要求，共设置了7个功能选择按键，分别针对基本部分的两个要求和发挥部分的两个要求。基于模糊PID控制算法，通过控制风扇风力大小达到对圆盘高度控制，针对投硬币造成的倾斜进行姿态调整，从而形成一个闭环系统。



6测试方案与测试结果
(1)测试方案及测试条件按仪器道具清单表准备相关仪器和道具，见表1所示。



    (2)测试数据基本要求测试。
    a.盘悬浮20mm- 30mm的稳定时间远大于5s.







    (3)测试结果分析
通过对赛题的各项测试指标进行测试，风力悬浮装置基本能达到赛题中的要求，且基本满足所有主要指标。

    结束语
本设计从风力悬浮装置方案选择、控制算法设计、硬件设计、软件编程和最终测试效果等各方面全面的进行了介绍，理论分析和实际测试都做了充实大量的工作。最终基本达到了题目要求的各项性能指标，具有性能稳定，控制精确等优点。但是其智能化程度还远远不够，还需要结合实测数据建立理论模型，建立更加可靠的设计方案，使其具有实用性，真正应用于实际项目使用。

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