双杆风摆设计报告

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摘要：
该双杆风摆系统由驱动模块，检测模块，控制模块和执行模块组成。采用STM32单片机作为双杆风摆系统的检测控制芯片，选用空心杯电机带动摆杆运动，并通过角度传感器来检测风摆的偏移量，使得风摆按照设定的角度摆动。通过TFT液晶显示屏来实现人机交互，清晰显示风机偏离基准位置的角度。在系统控制过程中，应用PID算法改变控制风摆电机的PWM值，驱动风机带动摆杆更加稳定的按照控制要求工作。

关键词：STM32单片机；空心杯电机；TFT液品显示屏；PID算法

1引言
风机，在当下是一种非常通用和实用的电气设备，通过控制器及其相应组成电路能实现智能调控，完成各种任务要求。本双杆风摆系统，采用输出5V20A的开关电源供电，通过TFT显示屏显示设定角度，能实现甲乙两风机在一定角度内任意偏转，并且在设定角度位置上稳定一段时间：用激光笔实时指示实际角度刻度。

2方案设计
2.1控制器模块比较与选用
方案一：采用STC89C51单片机作为控制器。STC89C51价格低廉，结构简单，且资料丰富：但是51单片机系统资源有限，8位微控制器，运算能力有限，无法达到较高的精准度，需要外接大量外围电路，增加了系统复杂度，达不到系统要求。
方案二：采用STM32F103单片机作为系统控制器。STM32Fl03单片机是32位单片机，有一定智能模块，拥有大量的外设接口，储存容量远高于51单片机。运算速度快，能够满足读数据的快速采集和处理。
综合以上两种方案，我们选择方案二的STM32F103单片机。

2.2角度检测模块的比较和选择
方案一：选用编码器根据脉冲数计算出角度，相对高精度的角度传感器来讲，编码器体积大，安装不方便，有突变现象，容易导致计算错误，故不满足题目要求。
方案二：WDD35D4系列产品采用硬质铝合金材料制作外壳，采用导电塑料作为电阻材料，经过模压及激光修刻微调，贵金属电刷激流装置，不锈钢高速轴承等部件，保证了产品的高品质与高性能，具有机械寿命长，灵敏度高，操作简单，分辨率高，转动顺滑，动态噪声小的优良性能。
综上所述我们选择方案二中的WDD35D4型角度传感器。

2.3电机的选型
方案一：选用普通轴流电机具有单位能耗低，通风时机易掌握，不易出现结露，不用单独配备风机，方便灵活。但是针对本体的设计要求，轴流电机相对体积过大，质最较重，安装不便等国素给设计带来很多不便。
方案二：选用空心杯电机，空心杯电动机具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，空心杯电机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用的是无铁芯转子。空心杯电机具有十分突出的节能、控制和拖动特性。且空心杯电机体积小，质量轻，较小的桨就可以获得较大的推力，成本低等诸多优点，满足题目设计要求。
综合上述观点我们最终选用方案二空心杯电机作为摆杆动力源。

2.4驱动模块的比较与选择
方案一：采用L298驱动，L298是专用的驱动集成电路，属于H桥集成电路，内部包含4通道逻辑驱动电路。但是其输出电流不能超过4A，比较容易发热，不能符合题目的较大电流。
力案一：采用BlNy/15电机驱动模块具有电流大，内阻小，驱动能力强等优点。
电路模块选用HCPL-2630芯片集成反接、光耦隔离电路，有效保护单片机和电路模块的安全，防止烧坏。
综合上述观点我们最终选用方案二BTN7971B电机驱动模块。

2.5信息显示模块
方案一：使用LED显示屏显示内容少，需要循环显示，占用太多程序资源。
方案二：采用TFT液晶显示屏，显示信息量丰富，灵活多变显示多种信息。成本相对较低。
因此我们选用方案二TFT液晶显示屏作为系统的显示装置。

2.6系统最终方案选择
综上所述，最终决定系统模块方案如图1所示：

本系统运用WDD35D4角位移传感器反馈摆杆的运动轨迹，经过A/D转换进行数据采集.通讨STM32F103单片机讲行数据处理.来实现题目的控制要求。

3设计实现
3.1硬件电路原理及实现
3.1.1主控电路模块
本系统的主控模块采用STM32F103最小系统及所有的I0口引出的自制PCB最小系统板，自制系统板载TFT显示电路，方便实用。主电路原理图见附图1，系统整体结构图如附图2所示。（本模块应用自制PCB板）
3.1.2电机驱动模块
电机驱动电路采用BTN7971B电机驱动模块，具有电流大，内阻小，驱动能力强等优点。电路模块选用HCPL-2630芯片集成反接、光耦隔离电路，有效保护单片机电路模块的安全，防止烧坏。电路原理图如图2所示：（本模块应用自制电路和PCB板）



3.2软件系统的流程及实现
3.2.1程序设计思路和流程
软件设计通过A/D采集角度传感器角度值，经系统检测是否符合设定值，采用PID算法对控制电机的PWM改变量进行精确运算，反馈到系统进行调节，计算公式如（1）所示，最后实现控制要求。
计算公式：duk=P*（e-e1）+I*e+D*（e-2*el+e2）（1）
系统软件流程图如图3所示。



4系统检测
4.1系统测试方案
根据题目要求，在系统硬件结构和软件控制要求基本满足题目设计的前提下，通过系统的工作状念和角度传感器的检测完成系统测试。设定角度和摆杆到达角度一致。双杆风摆示意图如图4所示。



4.2检测仪器
量角器、秒表、示波器，刻度尺（精确度0.1厘米）。
4.3测试结果及分析
4.3.1测试结果
系统测试界面如图5所示。系统结构合理，电路布局规范，显示信息全面。



测试结果表明系统调节时间与稳定时间远优于控制要求，如表1所示；系统不同模式工作时摆杆角度误差如表2、表3、表4、表5所示。




4.3.2结果分析和误差消除
根据上述测试数据，得出以下结论。
（1）多组数据显示，系统控制实现目标优于题目要求。
（2）系统响应时间快，优于题目要求。
（3）对于某些硬件引起的不可消除误差，用软件进行了补偿。

5结论
本系统核心控制模块STM32F103最小系统自制，板载2.8寸TFT彩屏。采用BTN7971B芯片组成的电机驱动，驱动能力强；驱动模块的光耦隔离有效地保护了单片机和电路模块的安全。用线性为0.1%的角度传感器WDD35D4定位摆杆实际摆动方向，可准确测出实际摆动角度与设定角度的误差，对带动摆杆运动的电机采用增量PID算法闭环调节，精确地控制了摆杆的摆动。设计结果表明系统机械结构设计合理，布局美观，电路模块规范整齐，TFT屏显示信息全面，模式切换方便，系统测试结果优于双杆风摆题目设计要求。

Vera

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