风力摆控制系统（B题） - 图文(2)

3.2 姿态采集模块电路设计

为高精度、高速率采集风力摆当前姿态角，姿态采集系统采用高精度陀螺加速度计MPU6050。MPU6050将测量的模拟量转化为可输出的数字量，通过DMP处理器读取测量数据然后通过串口输出至单片机。MPU6050接5V电源输入，XDA/XCL用于外接I2C接口传感器。SDA、SCL连接到单片机，INT产生中断信号，连接至单片机。AD0接地。其电路设计如图4所示。

图4 姿态采集模块电路设计

3.3 风机驱动电路设计

考虑到四只风机带动风力摆摆动过程中，要求对摆杆精确控制，对电机驱动能力要求较高，故本设计采用双 H 桥芯片 L298N 作为电机驱动芯片，其工作电压高，最高工作电压可达 46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达 3A，持续工作电流为 2A；额定功率 25W，内含两个 H 桥的高电压大电流全桥式驱动器，很好的实现了对空心杯电机的驱动控制。具体电路设计如图5所示.

图5 风机驱动电路图

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4、 系统测试 4.1 测试仪器

（1）秒表 （2）量角器

（3）方向角度图纸 （4）数字风速仪

4.2 测试方案及结果

4.2.1 驱动风力摆工作，使激光笔稳定地在地面画出一条长度不短于50cm 的

直线段，来回五次，记录其由开始摆动至稳定画出不短于50cm直线的时间及最大偏差距离。测试结果如表1所示。

表1 风力摆画长于50cm直线测试

第一次测试 第二次测试 第三次测试 时间 2.9s 2.6s 2.5s 误差1 0.5cm 0.5cm 0.6cm 误差2 0.2cm 0.6cm 0.4cm 误差3 0.5cm 0.4cm 0.2cm 误差4 0.6cm 0.2cm 0.3cm 误差5 0.2cm 0.3cm 0.1cm 4.2.2 设置风力摆画线长度，驱动风力摆工作，记录其由开始摆动至稳定画出

设定长度直线的时间及在画不同长度直线时的最大偏差距离。测试结果如表2所示。

表2 风力摆画不同长度直线测试

划线 长度 时间（s）/误差（cm） 30cm 40cm 50cm 60cm 测试1 测试2 测试3 测试4 测试5 1.8/0.3 2.2/0.6 3.0/0.5 2.9/0.4 2.0/0.5 2.0/0.5 3.2/0.9 2.9/0.7 1.9/0.4 2.1/0.4 2.9/0.9 3.1/0.6 1.9/0.3 2.1/0.6 2.8/1.1 3.2/0.4 1.8/0.5 2.0/0.7 3.1/1.2 2.1/0.4 4.2.3 设置风力摆自由摆时角度，驱动风力摆工作，画出不短于20cm直线，

记录其由开始摆动至画线长度稳定大于20cm的时间及在画不同角度直线时的最

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大偏差距离。测试结果如表3所示。

表3 风力摆画不同角度直线测试

划线 角度 时间（s）/误差（cm） 0° 90° 180° 270° 测试1 测试2 测试3 测试4 测试5 2.4/0.3 2.6/0.6 2.6/0.5 2.7/0.4 2.5/0.5 2.3/0.5 2.2/0.9 2.8/0.7 2.4/0.4 2.5/0.4 2.6/0.9 2.7/0.6 2.6/0.3 2.6/0.6 2.4/1.1 2.6/0.4 2.5/0.5 2.6/0.7 2.6/1.2 2.5/0.4 4.2.4 将风力摆拉起一定角度放开，驱动风力摆工作，测试风力摆制动达到

静止状态所用时间。测试结果如表4所示。

表4 风力摆恢复静止测试

拉起30° 拉起35° 拉起40° 拉起45° 时间（1） 2.2s 2.8s 0.0s 3.4s 时间（2） 2.6s 2.5s 2.6s 2.8s 时间（3） 2.9s 3.1s 3.2s 3.5s 时间（4） 2.4s 3.0s 3.0s 2.9s 时间（5） 3.3s 3.0s 3.1s 3.2s 4.2.5 以风力摆静止时激光笔的光点为圆心，设置风力摆画圆半径，驱动风力

摆用激光笔在地面画圆，记录其画三次圆所用时间以及最大偏差距离，重复测试三次。改变圆半径再次测试，重复以上操作四次。测试结果如表5所示。

4.2.6 在4.2.5的基础上，使用一台60W台扇在距离风力摆1m距离处向其吹

5s后静止，记录风力摆回复画圆状态时间。测试结果如表5所示。

表5 风力摆画圆测试

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时间（1） 偏差距离（1） 恢复时间（1） 时间（2） 偏差距离（2） 恢复时间（2） 时间（3） 偏差距离（3） 恢复时间（3） 半径15cm 6.2s 1.2cm 4.0s 6.3s 1.5cm 4.2s 6.3s 1.2cm 4.5s 半径20cm 6.8s 1.6cm 4.4s 6.9s 2.0cm 3.3s 6.6s 1.5cm 4.2s 半径25cm 6.9s 1.3cm 3.8s 7.2s 2.2cm 3.5s 6.8s 2.0cm 3.3s 半径30cm 7.2s 1.6cm 3.6s 6.8s 1.5cm 3.8s 7.9s 2.3cm 3.8s 半径35cm 7.0s 1.8cm 3.3s 7.5s 2.1cm 3.9s 7.6s 2.2cm 3.2s 5、总结

本系统经过调试，最终很好的实现了题目中的各项要求。基础部分，本系统在各种要求下画直线时误差稳定小于±1cm，拉起后恢复静止平均时间小于3s钟。发挥部分，本系统能够画出设定半径的圆，误差小于±1.5cm，且受风扇影响后，通常5s钟即可恢复之前画圆状态，能够圆满完成甚至超越题目的基本和发挥部分要求。同时本系统设计选材得当，经济简洁，可控性强。

6、 参考文献

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[2] 康华光，陈大钦.电子技术基础模拟部分（第 4 版），高等教育出版社，2003.4. [3] 康华光，邹寿彬.电子技术基础数字部分（第 4 版），高等教育出版社，2000.7. [4]第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2001）北京：北京理工大学出版社，2006.

[5]黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛培训教程[M].北京：电子工业出版社，2005. [6]汪文，陈林. 单片机原理及其应用[M].湖北：华中科技大学出版社，2006.

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