CN103713653B - 气浮球控制实验系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PID控制技术的气浮球控制实验系统及测量方法。本发明包括超声测距模块、控制驱动模块、位置监控模块；超声测距模块用于测量气浮球的位置，并将位置信息传送给控制驱动模块；控制驱动模块包括串口通信电路、MCU控制电路和功率放大电路；位置监控模块包括位置显示单元和位置设定单元；位置设定单元设定浮球的位置，通过串口得到其当前位置信息并显示在位置显示单元，超声波测距模块将浮球的位置信息通过控制驱动模块传给位置显示单元，控制驱动模块通过PID算法和其模块内的功率放大电路控制浮球的运动，使其按目标位置信息规定进行相应的运动。本发明控制简单、更加直观；解决了传统实验平台各自相互独立的问题。

Description

气浮球控制实验系统及测量方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域，主要是一种基于PID控制技术的气浮球控制实验系统及测量方法。

背景技术

当前自动化类专业的自动控制原理实验一般基于MATLAB仿真平台实现，未能很好地和控制对象结合起来。和控制对象结合起来的几类实验，则都是专业实验，比如过程控制实验、电机控制实验、倒立摆实验等，由于涉及的对象较复杂且需较多其他专业知识，学生很难从头到尾参与到整个实验环节中来，不利于对基本控制原理的理解与掌握，实验效果并不理想。通过文献检索，国内外目前应用于实验、研究的类似系统多为磁浮球实验系统，气浮球实验系统并未有成熟的产品。本课题将气浮球作为实验对象，更适合本科学生的课程教学实验，研究具有一定的创新性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于PID控制技术的气浮球控制实验系统及测量方法。

气浮球控制实验系统，包括超声测距模块、控制驱动模块、位置监控模块；所述的超声测距模块用于测量气浮球的位置，并将位置信息传送给控制驱动模块；所述的控制驱动模块包括串口通信电路、MCU控制电路和功率放大电路；所述的位置监控模块包括位置显示单元和位置设定单元；

所述的控制驱动模块接收来自超声测距模块的浮球位置信息，再通过串口通信电路将浮球位置信息发送给位置监控模块中的位置显示单元；同时控制驱动模块接收来自位置监控模块中位置设定单元输入的浮球目标位置信息，并将该信息与超声测距模块的浮球位置信息做比较，并通过PID算法计算出当前的风扇驱动量后调节风扇风力实现将浮球控制到目标位置；

位置监控模块中的位置设定单元输入浮球目标位置信息，位置监控模块将输入的目标位置信息发送给控制驱动模块中的MCU控制电路，MCU控制电路根据浮球目标位置和当前位置计算出PWM波的占空比并产生相应占空比的PWM波，通过PWM波驱动功率放大电路控制风扇风速；位置显示单元接收来自控制驱动模块的浮球信息，用于显示浮球的位置或运动轨迹；

所述的串口通信电路包括第一芯片U1、USB接口、第一晶振Y1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4；第一芯片U1的第六引脚与第一电容C1的一端相连接，第一电容C1的另一端接地；第一芯片U1的第七引脚与USB接口的第三引脚相连接，第八引脚与USB接口的第二引脚相连接；第一芯片U1的第九引脚同时与第四电容C4的一端、第一晶振Y1的一端相连接，第四电容C4的另一端与第一芯片U1的第十九引脚相连接，并同时接地；第一芯片U1的第十引脚同时与第一晶振Y1的另一端、第三电容C3的一端相连接，第三电容C3的另一端接地；第一芯片U1的第十三引脚同时与第一芯片U1的第二十引脚、第二电容C2的一端相连接，并同时接5V电压；第一芯片U1的第十一引脚同时与第一芯片U1的第十二引脚、第二电容C2的另一端相连接，并同时接地；USB接口的第一引脚接5V电压，第五引脚接第六引脚，第四引脚接地；

所述的MCU控制电路2-2，包括第二芯片U2，所述的第二芯片U2的第六十八引脚和第六十九引脚分别与第一芯片U1的第四引脚和第三引脚相连接；第二芯片U2的第三十一引脚与第三电阻R3的一端相连接；第二芯片U2的第六引脚、第十一引脚、第二十一引脚、第二十二引脚、第二十八引脚、第五十引脚、第七十五引脚和第一百引脚接3.3V电压；第二芯片U2的第十引脚、第十九引脚、第二十引脚、第二十七引脚、第四十九引脚、第七十四引脚和第九十九引脚均接地；

所述的功率放大电路2-3，包括的电机驱动芯片U3、NPN三极管Q1、发光二极管D1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第五电容C5、第六电容C6、第一接口器J1和第二接口器J2；

电机驱动芯片U3的第一引脚接地，第二引脚同时与第二电阻R2的一端、NPN三极管Q1的集电极相连接，第二电阻R2的另一端接5V电压，NPN三极管Q1的基极与第三电阻R3的另一端相连接，NPN三极管Q1的发射极接地；电机驱动芯片U3的第三引脚与第四电阻R4的一端相连接，第四电阻R4的另一端接5V电压；电机驱动芯片U3的第五引脚、第六引脚分别与第五电阻R5、第六电阻R6的一端相连接，第五电阻R5、第六电阻R6的另一端接地；电机驱动芯片U3的第七引脚同时与第五电容C5的一端、第六电容C6的一端、第二接口器J2的第二引脚相连接，第五电容C5和第六电容C6的另一端、第二接口器J2的第一引脚均接地；电机驱动芯片U3的第八引脚同时与发光二极管D1的正极、第一接口器J1的第二引脚相连接，发光二极管D1的负极与第一电阻R1的一端相连接，第一电阻R1的另一端、第一接口器J1的第一引脚均接地。

所述的超声测距模块1使用型号为HC-SR04的测距模块。

所述的第一芯片U1的型号为CH341；第一晶振Y1为12M；第一电容C1为0.01uF，第二电容C2为0.1uF，第三电容C3和第四电容C4为20pF；所述的第二芯片U2的型号是基于32位的ARM Cortex-M3处理器STM32F105；所述的电机驱动芯片U3型号为BTS7960。

一种气浮球的测量方法，具体包括如下步骤：

步骤1.对超声测距模块、控制驱动模块、位置监控模块进行初始化；

步骤2.位置监控模块中的位置设定单元输入浮球目标位置信息，位置监控模块将输入的目标位置信息发送给控制驱动模块中的MCU控制电路，MCU控制电路根据浮球目标位置和当前位置计算出PWM波的占空比并产生相应占空比的PWM波，通过PWM波驱动功率放大电路控制风扇风速；

所述的MCU控制电路具体工作如下：

打开MCU控制电路中的MCU的定时器和中断，输出设定的PWM波，通过功率放大电路驱动风扇，使气浮球开始浮动；同时超声测距模块开始测量浮球的位置，并实时将数据传送给MCU控制电路；同时MCU控制电路通过串口读取位置监控模块发送的浮球目标位置信息，并对浮球目标位置信息与浮球当前位置进行比较，使用PID算法对浮球进行稳定控制；MCU控制电路实时检测位置监控模块发送的浮球目标位置信息，并根据收到的浮球目标位置信息随时更改PID控制算法数据和控制浮球的运动；

步骤3.超声测距模块时刻检测浮球位置信息，并将浮球位置信息发送给控制驱动模块，控制驱动模块再通过串口通信电路将浮球位置信息发送给位置监控模块；位置监控模块中的位置显示单元显示浮球位置信息；

所述的位置监控模块包括位置显示单元和位置设定单元；

位置显示单元接收来自控制驱动模块的浮球信息，用于显示浮球的位置或运动轨迹；位置设定单元用于设定浮球的目标位置，并将浮球目标位置信息发送给控制驱动模块。

所述的浮球目标位置信息包括浮球高度或者浮球运动轨迹，其中浮球运动轨迹包括正弦波、三角波、方波；所述的PWM波的相应占空比能够通过PID算法、模糊控制算法、神经网络算法得到。

本发明所具有的有益效果：

(1)传统经验了解到磁浮球控制算法复杂，作为本科实验教学并不合适。本课题参照磁浮球实验系统，以乒乓球作为浮球控制对象，系统控制简单，更加直观，更适合于本科学生教学实验。

(2)此平台有效融合了自动控制原理、单片机、嵌入式系统等知识，解决了传统实验平台各自相互独立的问题。通过此实验平台，可以有效引导学生学会如何将所学知识相互融会贯通，有利于学生实际问题解决能力培养。

附图说明

图1是本发明的硬件连接框图；

图2是本发明的串口通信电路图；

图3是本发明的MCU控制电路图；

图4是本发明的功率放大电路图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，气浮球控制实验系统，包括超声测距模块1、控制驱动模块2、位置监控模块3。

超声测距模块1使用型号为HC-SR04的测距模块，系统工作时将气浮球的位置通过超声波测量模块1测量出来，然后传送给控制驱动模块2进行处理。

控制驱动模块2包括串口通信电路2-1、MCU控制电路2-2、功率放大电路2-3。位置监控模块3包括位置显示单元3-1和位置设定单元3-2。

控制驱动模块2接收来自超声测距模块的浮球位置信息，再通过串口通信电路2-1将浮球位置信息发送给位置监控模块3中的位置显示单元3-1，用于显示浮球位置信息；同时控制驱动模块2接收来自位置监控模块3中位置设定单元3-2输入浮球目标位置信息，并将该信息与超声测距模块的浮球位置信息做比较，并采用算法，计算出当前的风扇驱动量后调节风扇风力，最终实现将浮球控制到目标位置，

位置监控模块3中的位置设定单元3-2输入浮球目标位置信息，位置监控模块3将输入的目标位置信息发送给控制驱动模块2中的MCU控制电路2-2，MCU控制电路2-2根据浮球目标位置和当前位置计算出PWM波的占空比并产生相应占空比的PWM波，通过PWM波驱动功率放大电路控制风扇风速；位置显示单元3-1接收来自控制驱动模块2的浮球信息，用于显示浮球的位置或运动轨迹；

如图2所示，串口通信电路2-1包括第一芯片U1、USB接口、第一晶振Y1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4。第一芯片U1的第六引脚与第一电容C1的一端相连接，第一电容C1的另一端接地；第一芯片U1的第七引脚与USB接口的第三引脚相连接，第八引脚与USB接口的第二引脚相连接；第一芯片U1的第九引脚同时与第四电容C4的一端、第一晶振Y1的一端相连接，第四电容C4的另一端与第一芯片U1的第十九引脚相连接，并同时接地；第一芯片U1的第十引脚同时与第一晶振Y1的另一端、第三电容C3的一端相连接，第三电容C3的另一端接地；第一芯片U1的第十三引脚同时与第一芯片U1的第二十引脚、第二电容C2的一端相连接，并同时接5V电压；第一芯片U1的第十一引脚同时与第一芯片U1的第十二引脚、第二电容C2的另一端相连接，并同时接地；USB接口的第一引脚接5V电压，第五引脚接第六引脚，第四引脚接地。

所述的第一芯片U1的型号为CH341；第一晶振Y1为12M；第一电容C1为0.01uF，第二电容C2为0.1uF，第三电容C3和第四电容C4为20pF；

图3为MCU控制电路2-2，包括第二芯片U2，所述的第二芯片U2的第六十八引脚和第六十九引脚分别与第一芯片U1的第四引脚和第三引脚相连接；第二芯片U2的第三十一引脚与第三电阻R3的一端相连接；第二芯片U2的第六引脚、第十一引脚、第二十一引脚、第二十二引脚、第二十八引脚、第五十引脚、第七十五引脚和第一百引脚接3.3V电压；第二芯片U2的第十引脚、第十九引脚、第二十引脚、第二十七引脚、第四十九引脚、第七十四引脚和第九十九引脚均接地；

所述的第二芯片U2是整个控制驱动模块的核心控制芯片，是基于32位的ARM Cortex-M3处理器STM32F105，负责协调整个系统的工作，包括风扇驱动信号的输出、串口通信的实现和信号采集处理等。

如图4所示是功率放大电路2-3，包括的电机驱动芯片U3、NPN三极管Q1、发光二极管D1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第五电容C5、第六电容C6、第一接口器J1和第二接口器J2。

电机驱动芯片U3的第一引脚接地，第二引脚同时与第二电阻R2的一端、NPN三极管Q1的集电极相连接，第二电阻R2的另一端接5V电压，NPN三极管Q1的基极与第三电阻R3的另一端相连接，NPN三极管Q1的发射极接地；电机驱动芯片U3的第三引脚与第四电阻R4的一端相连接，第四电阻R4的另一端接5V电压；电机驱动芯片U3的第五引脚、第六引脚分别与第五电阻R5、第六电阻R6的一端相连接，第五电阻R5、第六电阻R6的另一端接地；电机驱动芯片U3的第七引脚同时与第五电容C5的一端、第六电容C6的一端、第二接口器J2的第二引脚相连接，第五电容C5和第六电容C6的另一端、第二接口器J2的第一引脚均接地；电机驱动芯片U3的第八引脚同时与发光二极管D1的正极、第一接口器J1的第二引脚相连接，发光二极管D1的负极与第一电阻R1的一端相连接，第一电阻R1的另一端、第一接口器J1的第一引脚均接地。

所述的电机驱动芯片U3型号为BTS7960，是半桥驱动，可以实现用单片机通过PWM信号控制风扇转速的目的；

所述的NPN三极管Q1型号为9013；发光二极管D1型号是桥田0805贴LED发光二极管；第一电阻R1的阻值大小为10K欧姆；第二电阻R2和第四电阻R4的阻值大小是4.7K欧姆；第三电阻R3的阻值大小是100欧姆；第五电阻R5和第六电阻R6的阻值大小是1K欧姆；第五电容C5大小是10uF；第六电容C6大小是0.1uF；第一接口器J1和第二接口器J2型号为301-2P接线端子。

气浮球的测量方法，具体包括如下步骤：

步骤1.对超声测距模块1、控制驱动模块2、位置监控模块3进行初始化；

步骤2.位置监控模块3中的位置设定单元3-2输入浮球目标位置信息，位置监控模块3将输入的目标位置信息发送给控制驱动模块2中的MCU控制电路2-2，MCU控制电路2-2根据浮球目标位置和当前位置计算出PWM波的占空比并产生相应占空比的PWM波，通过PWM波驱动功率放大电路控制风扇风速；

其中MCU控制电路2-2具体工作如下：

打开MCU控制电路2-2中的MCU的定时器和中断，输出设定的PWM波，通过功率放大电路2-3驱动风扇，使气浮球开始浮动。同时超声测距模块1开始测量浮球的位置，并实时将数据传送给MCU控制电路2-2。同时MCU控制电路2-2通过串口读取位置监控模块3发送的浮球目标位置信息，并对浮球目标位置信息与浮球当前位置进行比较，使用PID算法对浮球进行稳定控制。MCU控制电路2-2实时检测位置监控模块发送的浮球目标位置信息，并根据收到的浮球目标位置信息随时更改PID控制算法数据和控制浮球的运动。

所述的浮球目标位置信息包括浮球高度或者浮球运动轨迹，其中浮球运动轨迹包括正弦波、三角波、方波。

所述的PWM波的相应占空比能够通过PID算法、模糊控制算法、神经网络算法得到。

步骤3.超声测距模块1时刻检测浮球位置信息，并将浮球位置信息发送给控制驱动模块2，控制驱动模块2再通过串口通信电路2-1将浮球位置信息发送给位置监控模块3；位置监控模块3中的位置显示单元显示浮球位置信息。

所述的位置监控模块3包括位置显示单元3-1和位置设定单元3-2。

位置显示单元3-1接收来自控制驱动模块2的浮球信息，用于显示浮球的位置或运动轨迹；位置设定单元3-2用于设定浮球的目标位置，并将浮球目标位置信息发送给控制驱动模块2；

位置设定单元3-2可以以高度形式或者运动轨迹形式设定浮球的目标位置。以高度形式设定时，可以直接在高度输入框内输入需要设定的高度，点击确认按键即可；以运动轨迹形式设定时，可以在轨迹下拉菜单中选择相应的运动轨迹，点击确认按键即可。位置设定单元3-2在检测到确认按键后，会读取高度输入框内的数字或者轨迹下拉菜单中的选项，产生相应的控制指令发送给控制驱动模块2。

本发明主要是位置设定单元3-2设定浮球的位置，通过串口得到其当前位置信息并显示在位置显示单元3-1。超声波测距模块1将浮球的位置信息通过控制驱动模块2传给位置显示单元3-1，控制驱动模块2通过PID算法和其模块内的功率放大电路控制浮球的运动，使其按目标位置信息规定进行相应的运动。

Claims (4)

1.气浮球控制实验系统，其特征在于包括超声测距模块、控制驱动模块、位置监控模块；所述的超声测距模块用于测量气浮球的位置，并将位置信息传送给控制驱动模块；所述的控制驱动模块包括串口通信电路、MCU控制电路和功率放大电路；所述的位置监控模块包括位置显示单元和位置设定单元；

所述的控制驱动模块接收来自超声测距模块的气浮球位置信息，再通过串口通信电路将气浮球位置信息发送给位置监控模块中的位置显示单元；同时控制驱动模块接收来自位置监控模块中位置设定单元输入的气浮球目标位置信息，并将该信息与超声测距模块的气浮球位置信息做比较，并通过PID算法计算出当前的风扇驱动量后调节风扇风力实现将气浮球控制到目标位置；

位置监控模块中的位置设定单元输入气浮球目标位置信息，位置监控模块将输入的目标位置信息发送给控制驱动模块中的MCU控制电路，MCU控制电路根据气浮球目标位置和当前位置计算出PWM波的占空比并产生相应占空比的PWM波，通过PWM波驱动功率放大电路控制风扇风速；位置显示单元接收来自控制驱动模块的气浮球信息，用于显示气浮球的位置或运动轨迹；

所述的串口通信电路包括第一芯片U1、USB接口、第一晶振Y1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4；第一芯片U1的第六引脚与第一电容C1的一端相连接，第一电容C1的另一端接地；第一芯片U1的第七引脚与USB接口的第三引脚相连接，第一芯片U1的第八引脚与USB接口的第二引脚相连接；第一芯片U1的第九引脚同时与第四电容C4的一端、第一晶振Y1的一端相连接，第四电容C4的另一端与第一芯片U1的第十九引脚相连接，并同时接地；第一芯片U1的第十引脚同时与第一晶振Y1的另一端、第三电容C3的一端相连接，第三电容C3的另一端接地；第一芯片U1的第十三引脚同时与第一芯片U1的第二十引脚、第二电容C2的一端相连接，并同时接5V电压；第一芯片U1的第十一引脚同时与第一芯片U1的第十二引脚、第二电容C2的另一端相连接，并同时接地；USB接口的第一引脚接5V电压，第五引脚接第六引脚，第四引脚接地；

所述的MCU控制电路，包括第二芯片U2，所述的第二芯片U2的第六十八引脚和第六十九引脚分别与第一芯片U1的第四引脚和第三引脚相连接；第二芯片U2的第三十一引脚与第三电阻R3的一端相连接；第二芯片U2的第六引脚、第十一引脚、第二十一引脚、第二十二引脚、第二十八引脚、第五十引脚、第七十五引脚和第一百引脚接3.3V电压；第二芯片U2的第十引脚、第十九引脚、第二十引脚、第二十七引脚、第四十九引脚、第七十四引脚和第九十九引脚均接地；

所述的功率放大电路，包括电机驱动芯片U3、NPN三极管Q1、发光二极管D1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第五电容C5、第六电容C6、第一接口器J1和第二接口器J2；

电机驱动芯片U3的第一引脚接地，第二引脚同时与第二电阻R2的一端、NPN三极管Q1的集电极相连接，第二电阻R2的另一端接5V电压，NPN三极管Q1的基极与第三电阻R3的另一端相连接，NPN三极管Q1的发射极接地；电机驱动芯片U3的第三引脚与第四电阻R4的一端相连接，第四电阻R4的另一端接5V电压；电机驱动芯片U3的第五引脚、第六引脚分别与第五电阻R5、第六电阻R6的一端相连接，第五电阻R5、第六电阻R6的另一端接地；电机驱动芯片U3的第七引脚同时与第五电容C5的一端、第六电容C6的一端、第二接口器J2的第二引脚相连接，第五电容C5和第六电容C6的另一端、第二接口器J2的第一引脚均接地；电机驱动芯片U3的第八引脚同时与发光二极管D1的正极、第一接口器J1的第二引脚相连接，发光二极管D1的负极与第一电阻R1的一端相连接，第一电阻R1的另一端、第一接口器J1的第一引脚均接地；

所述的超声测距模块使用型号为HC-SR04的测距模块；

所述的第一芯片U1的型号为CH341；

所述的第二芯片U2的型号是基于32位的ARM Cortex-M3处理器STM32F105；

所述的电机驱动芯片U3型号为BTS7960。

2.根据权利要求1所述的气浮球控制实验系统，其特征在于第一晶振Y1为12M；第一电容C1为0.01uF，第二电容C2为0.1uF，第三电容C3和第四电容C4为20pF；

NPN三极管Q1型号为9013；发光二极管D1型号是桥田0805贴LED发光二极管；第一电阻R1的阻值大小为10K欧姆；第二电阻R2和第四电阻R4的阻值大小是4.7K欧姆；第三电阻R3的阻值大小是100欧姆；第五电阻R5和第六电阻R6的阻值大小是1K欧姆；第五电容C5大小是10uF；第六电容C6大小是0.1uF；第一接口器J1和第二接口器J2型号为301-2P接线端子。

3.一种气浮球的测量方法，其特征在于具体包括如下步骤：

步骤1.对超声测距模块、控制驱动模块、位置监控模块进行初始化；

步骤2.位置监控模块中的位置设定单元输入气浮球目标位置信息，位置监控模块将输入的目标位置信息发送给控制驱动模块中的MCU控制电路，MCU控制电路根据气浮球目标位置和当前位置计算出PWM波的占空比并产生相应占空比的PWM波，通过PWM波驱动功率放大电路控制风扇风速；

所述的MCU控制电路具体工作如下：

打开MCU控制电路中的MCU的定时器和中断，输出设定的PWM波，通过功率放大电路驱动风扇，使气浮球开始浮动；同时超声测距模块开始测量气浮球的位置，并实时将数据传送给MCU控制电路；同时MCU控制电路通过串口读取位置监控模块发送的气浮球目标位置信息，并对气浮球目标位置信息与气浮球当前位置进行比较，使用PID算法对气浮球进行稳定控制；MCU控制电路实时检测位置监控模块发送的气浮球目标位置信息，并根据收到的气浮球目标位置信息随时更改PID控制算法数据和控制气浮球的运动；

步骤3.超声测距模块时刻检测气浮球位置信息，并将气浮球位置信息发送给控制驱动模块，控制驱动模块再通过串口通信电路将气浮球位置信息发送给位置监控模块；位置监控模块中的位置显示单元显示气浮球位置信息；

所述的位置监控模块包括位置显示单元和位置设定单元；

位置显示单元接收来自控制驱动模块的气浮球信息，用于显示气浮球的位置或运动轨迹；位置设定单元用于设定气浮球的目标位置，并将气浮球目标位置信息发送给控制驱动模块。

4.如权利要求3所述的一种气浮球的测量方法，其特征在于气浮球目标位置信息包括气浮球高度或者气浮球运动轨迹，其中气浮球运动轨迹包括正弦波、三角波、方波；所述的PWM波的相应占空比能够通过PID算法、模糊控制算法、神经网络算法得到。