风力摆控制系统的设计

王 桔，洪 梅

(长春大学 电子信息工程学院，吉林 长春130022)

0 引言

目前随着人类社会生活水平越来越高，在现代生产生活中，测量控制系统发挥着举足轻重的作用。风力摆自动控制系统便是最典型具有代表性的测量控制系统。

1 设计要求

设计一长约60cm～70cm 的细管上端用万向节固定在支架上，下方悬挂一组(2～4 只)直流风机，构成一风力摆，如图1 所示。风力摆上安装一向下的激光笔，静止时，激光笔的下端距地面不超过20cm。控制驱动各风机使风力摆按照一定规律运动，激光笔在地面画出要求的轨迹。

2 设计方案

采用4 个直流风机作为动力，四个风机在四个方向相背而放，通过控制风机的转速及工作状态来控制风力摆的运动轨迹。采用以增强型80C51 为内核的STC 系列单片机STC89C52，控制两个LM298 芯片从而达到采用芯片L298 驱动风机，用单片机控制L298 的输入，其工作在占空比可调的开关状态，精确调整风机转速。电路设计简单，抗干扰能力强、可靠性好。采用双电源供电。风机驱动电源与控制电源分开，控制电机部分用YB1731 直流稳压电源提供12V 电压，单片机控制系统用另一端提供5V 电压，确保系统的稳定性，满足了系统对供电需求。如图2 所示。

图1 风力摆结构示意图

3 电路设计

图2 风力摆设计框图

3.1 单片机控制模块

单片机最小系统为主要控制系统。单片机模块电路图如图3 所示。

图3 单片机模块子系统电路

3.2 风机驱动模块

风机驱动模块采用L298 芯片控制两个风机的启停与风速，风机驱动电路图如图4 所示。

图4 风机驱动子系统电路

3.3 按键

通过按键控制风机的不同转速与启停时间，按键电路图如图5 所示。

3.4 液晶显示模块

按键功能通过单片机处理使相应功能数据在液晶屏上显示出来，液晶显示电路图如图6 所示。

3.5 电源模块

电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供±5V 或者±12V 电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。

图5 按键电路

4 系统理论分析与计算

4.1 风力摆运动的分析

风力摆采用4 个直流风机作为动力系统。当一侧直流风机工作时，由于风力的作用使风力摆摆动一定的角度，单片机调节输出PWM 的占空比，从而调节风机的摆动角度的大小。

4.2 卡尔曼滤波算法

5 系统程序流程设计

本系统采用4 个独立按键输入各参数及测试模式，系统上电运行第一个基本要求，使风力摆左右摆动，然后通过按不同的按键控制不同的风速达到其他基本要求，系统程序流程图如图7 所示。

图6 液晶显示模块

图7 程序流程图

6 测试方法与结果

6.1 软件与硬件测试方案

硬件测试时，每级分开，单独测试，然后连接测试看是否达到要求。软件仿真测试时，看能否控制风机，然后风机电路和连接在一起测试看电机是否正常工作。

6.2 测试条件与测试仪器

测试条件:检查多次和硬件电路和仿真电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。

测试仪器:直流稳压电源、数字万用表

6.3 测试结果及分析

要求1:15s 内使激光笔在地面稳定地画出一条长度不短于50cm 的直线段。各测试结果如表1 所示。

表1 测试结果

要求2:15s 内使激光笔在地面稳定地画出一条长度可设定(30 ～60cm)的直线段。各测试结果如表2所示。

表2 表测试结果

经过测得的数据显示风力摆拉起一定角度后，如果不提供动力，摆杆将逐渐衰减，但是速度缓慢，因此需要提供与运动方向相反的力，阻碍摆杆运动。

7 结语

本设计采用STC89C52 芯片为控制核心，两个L298 电机驱动模块控制直流风机的转速，四个直流风机控制摆动的四个方向，四个直流风机同一时刻的不同转速，实现了风力摆在只受直流风机为动力控制下快速起摆、画线、恢复静止的功能稳定的左右摆动。基本实现了测控系统的各种要求。

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