1、.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。并且在达到设定范围时进行声光提示。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
2、风板能达到设定角度控制，且最终绝对值误差不超过5度. 关键字：1602; GY521mpu-6050;PWM;PID算法。 目 录1系统方案11.1 角度测量方案选择11.2 风扇控制方案选择21.3显示方案选择21.4控制器方案选择22系统理论分析与计算32.1 风扇调试原理32.2角度测量原理32.3 PID控制算法的分析33电路与程序设计43.1电路的设计43.1.1系统总体框图43.1.2角度检测电路43.1.3 风扇驱动电路53.1.4按键及显示电路53.1.5电源电路63.2程序的设计63.2.1程序功能描述与设计思路63.2.2程序流程图64测试方案与测试结果74.1测试方法与仪
3、器74.2测试过程及数据74.3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 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 = gsin，Ay
4、 =gcos 。则=tan即 =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。 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。内建之运作时间偏差与磁力感测器校正
5、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。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
6、，故我们不选用该方案。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。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
7、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：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
8、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。 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
9、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。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。 PWM基本原理: PWM即脉冲宽度调制（定义），是直流电源电压基本不变的情况下通过电子开关的通断，改变施加到电机电枢端得直流电压脉冲宽度（即所谓的占空比），以调节输入电机电枢的电压平均值的调速方式。 通过改变固定周期内直流电压的占空比来改变电机两端的直流平均电压，进而达到控制风力大小的一种方法。PWM可以应用在许多方面
10、，如电机调速、温度控制、压力控制等。 通过改变直流电机电枢上电压的占空比来改变平均压的大小，从而控制电动机的转速。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax, 设占空比为D=t1T，则电机的平均速度为式中，Vd - 电机的平均速度； Vmax- -电机全通电时的速度(最大)； D=t1T -占空比。 由此可见，当我们改变占空比D：t1T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd ，严格地讲，平均速度 Vd与占空比 D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。2.2角度测量原理 mpu6050工作原理:作为一款物理传
11、感器，其工作原理是利用物理效应，诸如压电效应，将被测信号量的微小变化转换成电信号。MPU6050是一款9轴运动处理传感器。它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP（Digital Motion Processor）,可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后就可以通过其I2C或SPI接口输出一个9轴的信号（SPI接口仅在MPU-6000可用）。MPU-6050也可以通过其I2C接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。极大提高系统最小精度，符合题目要求。2.3 PID控制算法的分析 PID控制算法是控制理论中应用很广泛的一种算
12、法，对于一般控制系统来说，PID算法从某种意义来说具有通用性，对各种系统具有广泛的适用性，通过现场的参数调试，可以达到很好的控制效果。对于我们这次风板控制系统的设计，我们同样也可以使用PID肩，说：“你真不懂事。”他溜到厂部大楼，一口气蹿上五楼，找到那间大会议室。镂花木架子上，搁着一个浅红的紫砂盆，盆子里立着他的孤零零的山石，可怜巴巴的样子。他的眼睛里突然涌出了泪水。下楼的时候，他碰到了西装革履、满面矜色的厂长。他突然大声说：“你偷了我的石头！”厂长还没有回过神来，他已经咚咚地走远了。刨刀不知撞到什么硬处，“咔啦”一声脆响，刀子断了。他听见师傅在吼：“朱庆，你的魂丢了？”是的，他的魂丢了。第二
13、天，他向厂部递交了一份辞职报告。1小说中画线部分描写了主人公眼中的山石，请分析其表现特色。答：_解析本题考查对重点语句的鉴赏能力。回答此类题首先分析其修辞手法、写作技巧，然后分析作者的意图，即所要表达的思想感情。画线句子用了比喻、排比、联想，其目的是表达对山石的喜爱与对生活的向往，为下文作铺垫。答案运用比喻、排比、联想(或心理描写)，描绘山石形态，形象地表达对山石的喜爱之情和对美好生活的向往之情。2师傅黄子正说的“你真不懂事”一句话在小说中有什么作用？答：_解析本题考查对文章内容的推断与分析能力。很明显师傅的话表明了两代人的代沟，而下文中主人公找厂长理论辞职也属于“你真不懂事”的范畴，可见此句
14、也是为下文作铺垫。答案凸显两代人在观点和处理问题方式上的矛盾关系；为下文写朱庆找厂长理论和辞职作铺垫。3小说中的朱庆是一个什么样的形象？请作简要分析。答：_解析本题考查分析人物形象的能力。朱庆自小不爱说话，沉默寡言；精心打理山石，热爱生活；与山石对话，内心情感丰富；写信与父母交流，渴望被理解与关爱；与厂长理论并辞职，说明他敢于反抗。答案热爱生活，勇于改变现状；沉默寡言，内心情感丰富；孤独寂寞，渴望得到理解与关爱；果敢而执拗，坚守自己的精神领地。(答对三点即可)考点一概括、分析形象懂命题，会破题从分析人物形象这一角度设置试题，具体说来，大致可能涉及概括指出人物的性格特征、对文中人物进行客观公正的
15、评析(包括作者自身对人物的态度和读者对人物的评价)等方面。常见提问方式：(1)结合全文，简要分析文中的形象，或是一个怎样的人物？(2)有哪些优秀的品质？或具有哪些性格特点？(3)小说中哪一个是主要人物？哪一个是次要人物？(4)小说中的次要人物和主要人物是什么关系，对塑造主要人物有什么作用？记知识，提能力1借助故事情节分析人物形象情节一般是通过描写人物思想性格和情感欲望的冲突以及由此引起的人物关系、人物命运的变化来展开的。在情节的展开中，通过人物的外貌、行为、语言和心理状态，再现人物活生生的鲜明个性。因此，欣赏人物形象，应从情节入手，据情论人。如林教头风雪山神庙在一波三折的情节中展现了人物由逆来
16、顺受到奋起反抗的变化过程。2借助描写方法分析人物形象小说的核心任务就是通过刻画人物、塑造典型人物形象来揭示社会生活的某些本质方面，从而表现作品的主题的。所以，要评价小说中的人物形象，就要认真分析作者对人物的描写外貌描写、语言描写、行动描写、心理描写、细节描写等等，从而评价人物的性格特征，进而发掘出各色人物善恶美丑的精神世界。辨析人物描写的方法，除了外貌(肖像、神态、服饰)描写、动作细节描写、语言描写、心理描写等直接描写外，还要注意其他人或景的烘托。林黛玉进贾府中，林黛玉、贾宝玉、王熙凤的外貌描写非常传神；项链开头路瓦栽夫人的心理描写十分逼真；药中华老栓买药时，黑衣人的动作描写形象地刻画了人物的
17、性格。举例：林黛玉进贾府王熙风语言、外貌、动作、侧面(察言观色、机变逢迎)；林黛玉心理(寄人篱下的谨慎)。3借助环境描写分析人物形象恰当的环境描写有助于人物的刻画和主题的表达。人物的性格通过环境得以凸显，环境是为人物而设置的，小说中的人物是生活在特定的历史背景和特定的生活环境之中的，人物的思想感情总要打上时代的烙印，留下环境的痕迹。小说追求相对完整的人物形象塑造，就要着力于人物所处的环境的描绘，人与人之间所酿成的气氛和整体意境的形成，无不包含着某种真挚的思想情感。环境对人物性格的体现起着强化作用。作者为了表现人物丰富复杂的性格，往往为人物设置各种不同的环境，用以“刺激”人物，以记录其种种行为，
18、从而显露出性格。举例：祝福祥林嫂环境描写(自然环境、社会环境)。4借助作者感情倾向分析人物形象(注意作者对人物的介绍和评价)小说来源于生活，又高于生活。主题是作家在描写、叙述人物性格、人物命运时显示出的对生活的理解和认识。我们要在阅读中认识和评价人物的性格、品质、典型性和社会意义，体会作者的感情倾向。装在套子里的人的结尾，写到别里科夫死后才一个月，生活又变得沉闷，清楚地表明了别里科夫是个典型人物，只要专制制度还在，别里科夫式的人物便不可能消失。阿Q正传那叫读者笑中有泪的精神胜利法，明显地表达了作者哀其不幸、怒其不争的感情倾向。确定作者的感情倾向是褒还是贬，是颂扬还是讽刺。首先要高度概括故事情节
19、(什么人什么事)。其次揣摩作者的态度：表现了什么？是真善美还是假恶丑？(赞扬什么还是批判什么，最好从正反两个方面理解，如祝福)5如何判断谁是主人公？小说是以塑造性格鲜明的人物形象为中心，从而集中概括地反映一定的社会生活。任何一篇小说中的人物都不是单一的。哪怕是一篇小小说(短篇)其中描写的人物至少也要有几个。那么如何辨别认定小说中的主人公呢？主人公应贯穿小说情节的始终。主人公出场并与周围的人或事物发生矛盾冲突是小说情节的开端。主人公性格的发展推动小说情节的展开，应是小说中各种矛盾冲突的中心人物，是小说中主要矛盾的主导方面。主人公的表现及其性格决定小说的主题。小说中诸多人物中最能表现主题的人物是主
20、人公，其他人物起陪衬、烘托、补充作用。6各类形象的作用(1)主要人物形象的作用小说中的人物有主要人物和次要人物之分。分析主要人物的作用，主要是分析人物形象的社会意义。对于主要人物形象的分析是常见的一个考查点。(2)次要人物形象的作用次要人物即陪衬人物或线索人物，它的作用一般从以下几个角度考虑：为主要人物服务，对主要人物起衬托作用；揭示或凸显主旨；若是线索人物，则自然是贯串全文的线索。(3)物象的作用小说中引入特别重要的物件，其基本作用不外乎突出人物性格，揭示、深化主题等。有时反复出现，串起相关情节，从而成为文章的线索，兼有使结构更加严谨的作用。以例说法，举一反三阅读下面的文章，完成文后题目。张
21、书记卖瓜梁海潮张书记吃过晚饭，到D城的街道上散步。天太热，空调下觉不出什么，走出来却像进了火炉。张书记来到较偏僻的一个街道，发现路边停着一辆装满西瓜的农用三轮车，地上铺了张旧凉席，一个两三岁、满脸脏兮兮的孩子坐在上边，正啃着一块发硬的馒头。车旁站着一个衣着普通的妇女，脸上热汗涔涔，眼睛不住地盯着过往的行人。她旁边是位穿灰色上衣的男子，后背湿了大半截儿，肩膀上有几道地图形状的汗渍。他们见张书记过来，脸上堆满笑容。甜甜地喊：“大哥，过来尝尝西瓜，正宗中牟瓜，红沙瓤，鲜甜解渴。”说着，那男子从车上抓个西瓜切开，果真瓤红籽黑、沙甜诱人。张书记说：“这么好的瓜，生意一定不错吧？”女的接上来说：“这里人流
22、量太小，一车瓜三四天也卖不完。”张书记说：“你们怎么不到城中心去卖？那儿买的人多。”男子把头摇得像个拨浪鼓：“瓜农车不让进城。”女的说：“大哥，你家住哪儿？让他给你送去，住几楼都不要紧。”地上的小孩也仰着脸反复地说：“伯伯买瓜。伯伯买瓜吧！”听着小孩的叫喊，张书记心头一热，说：“好好，伯伯买，伯伯买。”张书记从衣袋里掏出五十块钱。对男子说；“我只买三十块钱的瓜，那余下的二十块钱，让你女人领着孩子到饭店洗洗，再吃碗烩面。这么热的天，孩子只啃干馍怎么成？我帮你看会儿摊卖会儿瓜。”那女人扑哧一笑，说：“大哥你会卖瓜？”张书记呵呵笑道：“我家原来也是瓜农啊！”女人害怕不按张书记意图会飞了这宗买卖，就千恩万谢地对张书记说：“那就辛苦大哥了。”这时候，对面过来一个胖子和一个瘦子。胖子敞着怀，露着白肚皮。二人来到瓜摊前，瞅了半天，胖子忽然说：“张书记，你”张书记看对方认出了自己，就说：“这是我家乡的亲戚，我没事，来帮他卖会儿瓜。”胖子张张嘴，一时不知说什么才好，与瘦子嗫嚅着。走也不是，不走也不是。张书记说：“你们该干什么就干什么去吧。”胖子、瘦子像得了大赦一般
