一種帆板實驗系統及帆板測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及自動控制領域，主要是一種基于PID控制技術的帆板實驗系統。
【背景技術】
[0002]當前自動化類專業的自動控制原理實驗一般基于MATLAB仿真平臺實現，未能很好地和控制對象結合起來。和控制對象結合起來的幾類實驗，則都是專業實驗，比如過程控制實驗、電機控制實驗、倒立擺實驗等，由于涉及的對象較復雜且需較多其他專業知識，學生很難從頭到尾參與到整個實驗環節中來，不利于對基本控制原理的理解與掌握，實驗效果并不理想。通過文獻檢索，國內外目前應用于實驗、研宄的類似系統多為磁浮球實驗系統，帆板實驗系統并未有成熟的產品。本課題將帆板作為實驗對象，更適合本科學生的課程教學實驗，研宄具有一定的創新性。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是針對現有技術的不足，提出一種基于PID控制技術的帆板實驗系統。
[0004]帆板實驗系統，包括角度測量模塊、控制驅動模塊、角度監控模塊；所述的角度測量模塊用于測量帆板的角度，并將角度值傳送給控制驅動模塊；所述的控制驅動模塊包括串口通信電路、MCU控制電路和功率放大電路；所述的角度監控模塊包括角度顯示單元和角度設定單元；
所述的控制驅動模塊接收來自角度測量模塊的帆板角度值，再通過串口通信電路將帆板角度值發送給角度監控模塊中的角度顯示單元；同時控制驅動模塊接收來自角度監控模塊中的角度設定單元輸入的帆板目標角度值，并將該信息與角度測量模塊的帆板角度值做比較，并通過PID算法計算出當前的風扇驅動量后調節風扇風力實現將帆板控制到目標角度；
角度監控模塊中的角度設定單元輸入帆板目標角度值，角度監控模塊將輸入的目標角度值發送給控制驅動模塊中的MCU控制電路，MCU控制電路根據帆板目標角度和當前角度計算出PWM波的占空比并產生相應占空比的PWM波，通過PWM波驅動功率放大電路控制風扇風速；角度顯示單元接收來自控制驅動模塊的帆板信息，用于顯示帆板的角度或運動軌跡；
角度測量模塊使用型號為MMA7260的三軸加速度計角度測量模塊，系統工作時將帆板的角度通過角度測量模塊測量出來，然后傳送給控制驅動模塊進行處理。
[0005]控制驅動模塊包括串口通信電路、MCU控制電路和功率放大電路。角度監控模塊包括角度顯示單元和角度設定單元。
[0006]控制驅動模塊接收來自角度測量模塊的帆板角度值，再通過串口通信電路將帆板角度值發送給角度監控模塊中的角度顯示單元，用于顯示帆板角度值；同時控制驅動模塊接收來自角度監控模塊中角度設定單元輸入帆板目標角度值，并將該信息與角度測量模塊的帆板角度值做比較，并采用算法，計算出當前的風扇驅動量后調節風扇風力，最終實現將帆板控制到目標角度，
角度監控模塊中的角度設定單元輸入帆板目標角度值，角度監控模塊將輸入的目標角度值發送給控制驅動模塊中的MCU控制電路，MCU控制電路根據帆板目標角度和當前角度計算出PWM波的占空比并產生相應占空比的PWM波，通過PWM波驅動功率放大電路控制風扇風速；角度顯示單元接收來自控制驅動模塊的帆板信息，用于顯示帆板的角度或運動軌跡；
串口通信電路包括第一芯片Ul、USB接口、第一晶振Yl、第一電容Cl、第二電容C2、第三電容C3和第四電容C4，所述的第一芯片Ul的型號為CH341 ；
第一芯片Ul的第六引腳與第一電容Cl的一端相連接，第一電容Cl的另一端接地；第一芯片Ul的第七引腳與USB接口的第三引腳相連接，第八引腳與USB接口的第二引腳相連接；第一芯片Ul的第九引腳同時與第四電容C4的一端、第一晶振Yl的一端相連接，第四電容C4的另一端與第一芯片Ul的第十九引腳相連接并接地；第一芯片Ul的第十引腳同時與第一晶振Yl的另一端、第三電容C3的一端相連接，第三電容C3的另一端接地；第一芯片Ul的第十三引腳同時與第一芯片Ul的第二十引腳、第二電容C2的一端相連接，并同時接5V電壓；第一芯片Ul的第十一引腳與第一芯片Ul的第十二引腳、第二電容C2的另一端相連接，并同時接地；USB接口的第一引腳接5V電壓，第五引腳接第六引腳，第四引腳接地，第一芯片Ul文中未提到的引腳皆架空。
[0007]MCU控制電路，包括第二芯片U2，所述的第二芯片U2的第六十八引腳和第六十九引腳依次與第一芯片Ul的第四引腳和第三引腳相連接；第二芯片U2的第三^^一引腳與第三電阻R3的一端相連接；第二芯片U2的第六引腳、第十一引腳、第二十一引腳、第二十二引腳、第二十八引腳、第五十引腳、第七十五引腳和第一百引腳接3.3V電壓；第二芯片U2的第十引腳、第十九引腳、第二十引腳、第二十七引腳、第四十九引腳、第七十四引腳和第九十九引腳均接地；第二芯片U2在文中未提到的引腳皆架空；
所述的第二芯片U2是整個控制驅動模塊的核心控制芯片，是基于32位的ARMCortex-M3處理器STM32F103VBT6，負責協調整個系統的工作，包括風扇驅動信號的輸出、串口通信的實現和信號采集處理等。
[0008]功率放大電路，包括的電機驅動芯片U3、NPN三極管Q1、發光二極管D1、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第五電容C5、第六電容C6、第一接口器Jl和第二接口器J2。
[0009]電機驅動芯片U3的第一引腳接地，第二引腳與第二電阻R2的一端、NPN三極管Ql的集電極相連接，第二電阻R2的另一端接5V電壓，NPN三極管Ql的基極與第三電阻R3的另一端相連接，NPN三極管Ql的發射極接地；電機驅動芯片U3的第三引腳與第四電阻R4的一端相連接，第四電阻R4的另一端接5V電壓；電機驅動芯片U3的第五引腳與第五電阻R5的一端連接，電機驅動芯片U3的第六引腳與第六電阻R6的一端相連接，第五電阻R5、第六電阻R6的另一端接地；電機驅動芯片U3的第七引腳同時與第五電容C5的一端、第六電容C6的一端、第二接口器J2的第二引腳相連接，第五電容C5和第六電容C6的另一端、第二接口器J2的第一引腳均接地；電機驅動芯片U3的第八引腳同時與發光二極管Dl的正極、第一接口器Jl的第二引腳相連接，發光二極管Dl的負極與第一電阻Rl的一端相連接，第一電阻Rl的另一端、第一接口器Jl的第一引腳均接地；電機驅動芯片U3的第四引腳架空。
[0010]所述的電機驅動芯片U3型號為BTS7960，是半橋驅動，可以實現用單片機通過PWM信號控制風扇轉速的目的；
一種帆板的測量方法，具體包括如下步驟:
步驟1.對角度測量模塊、控制驅動模塊、角度監控模塊進行初始化；
步驟2.角度監控模塊中的角度設定單元輸入帆板目標角度值，角度監控模塊將輸入的目標角度值發送給控制驅動模塊中的MCU控制電路，MCU控制電路根據帆板目標角度和當前角度計算出PWM波的占空比并產生相應占空比的PWM波，通過PWM波驅動功率放大電路控制風扇風速；
所述的MCU控制電路具體工作如下:
打開MCU控制電路中的MCU的定時器和中斷，輸出設定的PWM波，通過功率放大電路驅動風扇，使帆板開始擺動；同時角度測量模塊開始測量帆板的角度，并實時將數據傳送給MCU控制電路；同時MCU控制電路通過串口讀取角度監控模塊發送的帆板目標角度值，并對帆板目標角度值與帆板當前角度進行比較，使用PID算法對帆板進行穩定控制；MCU控制電路實時檢測角度監控模塊發送的帆板目標角度值，并根據收到的帆板目標角度值隨時更改PID控制算法數據和控制帆板的擺動；
步驟3.角度測量模塊時刻檢測帆板角度值，并將帆板角度值發送給控制驅動模塊，控制驅動模塊再通過串口通信電路將帆板角度值發送給角度監控模塊；角度監控模塊中的角度顯示單元顯示帆板角度值；
所述的角度監控模塊包括角度顯示單元和角度設定單元；
角度顯示單元接收來自控制驅動模塊的帆板信息，用于顯示帆板的角度或運動軌跡；角度設定單元用于