风板控制设计报告
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2015年全国大学生电子设计竞赛
风板控制装置（I题）
【高职高专组】
2015年8月15日
摘要
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12864实时显示风板当前角度。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，然后微调小风扇的转速改变风速的大小使风板角度达到稳定。并且在达到设定围时进行声光提示。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.
3.1.2角度检测电路4
3.1.3风扇驱动电路5
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11
1系统方案
故综合考虑实际中选择方案二。
1.3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。
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。
2系统理论分析与计算
2.1风扇调试原理
单片机控制的小型直流电机的一般采用PWM脉冲调制方式实现速度的控制。
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。
1.4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，稳定性高，扩展性能好；而且FPGA采用并行的输入/输出方式，系统处理速度快，再加上FPGA有方便的开发环境和丰富的开发工具等资源可利用，易于调试；但是FPGA得成本偏高，算术运算能力不强，而本设计系统的设计会用到较多算术运算，所以FPGA的高速处理的优势得不到充分体现。
1.2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。
图1.1加速度传感器角度测量原理
方案二：MPU-6000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间轴差的问题，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。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。
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块，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
方案一：采用MMA7260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 = gsinα，Ay =gcosα。则=tanα即α=arctan().这样，根据以上原理一个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。
方案二：采用STC公司的IAP15F2K61S2单片机作为系统的控制器。单片机算术运算功能强，软件编程灵活，可用软件较简单的实现各种算术和逻辑控制，并且由于其成本低，体积小和功耗低等优点，使其在各个领域应用广泛；另外，由于本设计中会用到较多的算术运算，所以对本系统来说非常适合利用单片机作为控制器。
基于以上分析，选择方案二。
关键字：1602; GY521mpu-6050;PWM;PID算法。
1系统方案1
1.1角度测量方案选择1
1.2Hale Waihona Puke Baidu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
风板控制装置（I题）
【高职高专组】
2015年8月15日
摘要
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12864实时显示风板当前角度。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，然后微调小风扇的转速改变风速的大小使风板角度达到稳定。并且在达到设定围时进行声光提示。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.
3.1.2角度检测电路4
3.1.3风扇驱动电路5
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11
1系统方案
故综合考虑实际中选择方案二。
1.3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。
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。
2系统理论分析与计算
2.1风扇调试原理
单片机控制的小型直流电机的一般采用PWM脉冲调制方式实现速度的控制。
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。
1.4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，稳定性高，扩展性能好；而且FPGA采用并行的输入/输出方式，系统处理速度快，再加上FPGA有方便的开发环境和丰富的开发工具等资源可利用，易于调试；但是FPGA得成本偏高，算术运算能力不强，而本设计系统的设计会用到较多算术运算，所以FPGA的高速处理的优势得不到充分体现。
1.2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。
图1.1加速度传感器角度测量原理
方案二：MPU-6000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间轴差的问题，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。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。
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块，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
方案一：采用MMA7260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 = gsinα，Ay =gcosα。则=tanα即α=arctan().这样，根据以上原理一个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。
方案二：采用STC公司的IAP15F2K61S2单片机作为系统的控制器。单片机算术运算功能强，软件编程灵活，可用软件较简单的实现各种算术和逻辑控制，并且由于其成本低，体积小和功耗低等优点，使其在各个领域应用广泛；另外，由于本设计中会用到较多的算术运算，所以对本系统来说非常适合利用单片机作为控制器。
基于以上分析，选择方案二。
关键字：1602; GY521mpu-6050;PWM;PID算法。
1系统方案1
1.1角度测量方案选择1
1.2Hale Waihona Puke Baidu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