采用L298N电机驱动和TFT液晶显示的控制系统设计方案

基本信息

一、设计方案工作原理

1.预期实现目标定位

本系统采用STM32单片机作为主控芯片的风力摆控制系统。TFT液晶显示作为显示模块，利用高精度的MPU6050陀螺仪和STM32单片机的片内模数转换器测量风力摆的摆动角度。当传感器实时采集到摆杆运动状态并反馈回单片机后，形成闭环控制系统，单片机对返回的数据结合PID控制算法进行处理，产生的控制量作用于驱动电路，从而控制4个直流电机的转速，实现摆杆角度变化的控制，使连接在摆杆下端的激光笔能够在指定时间内完成起摆、画线、恢复静止、画圆的要求，且在受风力影响后亦能快速恢复到画圆状态。通过测试，本系统性能良好，价格低廉，各项指标均能较好地完成设计要求。

2.技术方案分析比较

(1)处理器选择

方案1：STM32单片机是ST意法半导体公司生产的32位高性能、低成本和低功耗的增强型单片机，它的内核采用ARM公司最新生产的Cortex-M3架构，最高工作频率可达72 MHz，256 K的程序存储空间、48 K的RAM，8个定时器/计数器、两个看门狗和一个实时时钟RTC，片上集成通信接口有两个I2C、3个SPI、5个USART、一个USB、一个CAN和一个SDIO，并集成有3个ADC和一个DAC，具有80个I/O端口，端口多、速度较快。

方案2：采用ATMAL公司的51单片机，价格低廉，应用普遍，操作简单，性能稳定，技术成熟。但是，外设接口较少，运行速度不够快。

综上所述，选择方案1。

(2)电机的论证与选择

方案1：采用大功率晶体管组合电路构成驱动电路，这种方法结构简单、成本低、易于实现，但由于在驱动电路中采用了大量的晶体管连接，使得电路复杂，抗干扰能力差，可靠性下降。

方案2：采用L298N电机驱动芯片，由于其内部已经考虑到电路的抗干扰能力，安全、可靠，所以我们应用时只需考虑芯片的硬件连接、驱动能力就可以了，且应用时不需要对硬件电路设计考虑很多，能大大提高工作效率。

综上所述，采用L298N电机驱动的方案，电路的设计简单、抗干扰能力强、可靠性好。所以选择方案2。

(3)角度测量方式的论证与选择

方案1：MMA7361可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度，且采用了半导体表面微机械加工和集成电路技术，传感器体积小，重量轻。MMA7361是3轴小量程加速传感器，只需要测量其中一个方向上的加速度值，就可以计算出风力摆的倾角。但在实际摆动过程中，由于风力摆本身的摆动所产生的加速度会产生很大的干扰信号，它叠加在测量信号上使得输出信号无法准确反映风力摆的倾角。

方案2：采用陀螺仪传感器测量角速度。由于陀螺仪输出的是风力摆的角速度，不会受到风力摆运动的影响，因此该信号中噪声很小。风力摆的角度又是通过对角速度积分而得，这可进一步平滑信号，从而使得角度信号更加稳定。因此，可以使用陀螺仪所得到的信号控制风力摆所需要的角度和角速度。

综上所述，选择方案2。

(4)显示屏的论证与选择

方案1：采用彩屏TFT。TFT液晶显示的单芯片控制器是ILI9541，它具有精确的电压(软件)控制，可支持全色。8色显示模式和睡眠模式，使得ILI9541成为一个理想中小产品的LCD驱动器。且TFT液晶屏为每个像素都设有一个半导体开关，其加工工艺类似于大规模集成电路。由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而，每个节点都相对独立，并可以进行连续控制，这样的设计不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示灰度，所以TFT液晶的色彩更逼真。

方案2：采用12864，带中文字库的128×64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64，内置8 192个16×16点汉字，和128个16×8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，但是反应速度较方案1慢，显示灰度也没有方案1好。

综上所述，选择方案1。

3.系统结构工作原理

(1)风力摆状态测量与计算

采用高精度的陀螺仪MPU6050不断采集风力摆的角度数据。MPU6050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，可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器。MPU6050对陀螺仪和加速度计分别用了3个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。

如图B-9-1所示建立模型。图中T为拉力，F为势能和风机给的力，该系统主要是通过势能和动能之间的相互转化，依靠风力给予能量上的补偿，从而达到实验要求。系统的能量转化(G=mg)：

一、设计方案工作原理

1.预期实现目标定位

本系统采用STM32单片机作为主控芯片的风力摆控制系统。TFT液晶显示作为显示模块，利用高精度的MPU6050陀螺仪和STM32单片机的片内模数转换器测量风力摆的摆动角度。当传感器实时采集到摆杆运动状态并反馈回单片机后，形成闭环控制系统，单片机对返回的数据结合PID控制算法进行处理，产生的控制量作用于驱动电路，从而控制4个直流电机的转速，实现摆杆角度变化的控制，使连接在摆杆下端的激光笔能够在指定时间内完成起摆、画线、恢复静止、画圆的要求，且在受风力影响后亦能快速恢复到画圆状态。通过测试，本系统性能良好，价格低廉，各项指标均能较好地完成设计要求。

2.技术方案分析比较

(1)处理器选择

方案1：STM32单片机是ST意法半导体公司生产的32位高性能、低成本和低功耗的增强型单片机，它的内核采用ARM公司最新生产的Cortex-M3架构，最高工作频率可达72 MHz，256 K的程序存储空间、48 K的RAM，8个定时器/计数器、两个看门狗和一个实时时钟RTC，片上集成通信接口有两个I2C、3个SPI、5个USART、一个USB、一个CAN和一个SDIO，并集成有3个ADC和一个DAC，具有80个I/O端口，端口多、速度较快。

方案2：采用ATMAL公司的51单片机，价格低廉，应用普遍，操作简单，性能稳定，技术成熟。但是，外设接口较少，运行速度不够快。

综上所述，选择方案1。

(2)电机的论证与选择

方案1：采用大功率晶体管组合电路构成驱动电路，这种方法结构简单、成本低、易于实现，但由于在驱动电路中采用了大量的晶体管连接，使得电路复杂，抗干扰能力差，可靠性下降。

方案2：采用L298N电机驱动芯片，由于其内部已经考虑到电路的抗干扰能力，安全、可靠，所以我们应用时只需考虑芯片的硬件连接、驱动能力就可以了，且应用时不需要对硬件电路设计考虑很多，能大大提高工作效率。

综上所述，采用L298N电机驱动的方案，电路的设计简单、抗干扰能力强、可靠性好。所以选择方案2。

(3)角度测量方式的论证与选择

方案1：MMA7361可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度，且采用了半导体表面微机械加工和集成电路技术，传感器体积小，重量轻。MMA7361是3轴小量程加速传感器，只需要测量其中一个方向上的加速度值，就可以计算出风力摆的倾角。但在实际摆动过程中，由于风力摆本身的摆动所产生的加速度会产生很大的干扰信号，它叠加在测量信号上使得输出信号无法准确反映风力摆的倾角。

方案2：采用陀螺仪传感器测量角速度。由于陀螺仪输出的是风力摆的角速度，不会受到风力摆运动的影响，因此该信号中噪声很小。风力摆的角度又是通过对角速度积分而得，这可进一步平滑信号，从而使得角度信号更加稳定。因此，可以使用陀螺仪所得到的信号控制风力摆所需要的角度和角速度。

综上所述，选择方案2。

(4)显示屏的论证与选择

方案1：采用彩屏TFT。TFT液晶显示的单芯片控制器是ILI9541，它具有精确的电压(软件)控制，可支持全色。8色显示模式和睡眠模式，使得ILI9541成为一个理想中小产品的LCD驱动器。且TFT液晶屏为每个像素都设有一个半导体开关，其加工工艺类似于大规模集成电路。由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而，每个节点都相对独立，并可以进行连续控制，这样的设计不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示灰度，所以TFT液晶的色彩更逼真。

方案2：采用12864，带中文字库的128×64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64，内置8 192个16×16点汉字，和128个16×8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，但是反应速度较方案1慢，显示灰度也没有方案1好。

综上所述，选择方案1。

3.系统结构工作原理

(1)风力摆状态测量与计算

采用高精度的陀螺仪MPU6050不断采集风力摆的角度数据。MPU6050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，可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器。MPU6050对陀螺仪和加速度计分别用了3个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。

如图B-9-1所示建立模型。图中T为拉力，F为势能和风机给的力，该系统主要是通过势能和动能之间的相互转化，依靠风力给予能量上的补偿，从而达到实验要求。系统的能量转化(G=mg)：

其中，Ef为风扇给予的最小补偿。

其中，Ef为风扇给予的最小补偿。

图B-9-1　风力摆摆杆运动立体模型

图B-9-1　风力摆摆杆运动立体模型

图B-9-2　风力摆摆杆运动俯视模型

系统受力分析：

图B-9-2　风力摆摆杆运动俯视模型

系统受力分析：

如图B-9-2所示，为系统俯视图。发挥部分受力分析：F2与F相等，当摆杆达到转折点时给其一个F1，其合力与切线方向夹角尽量要小，如此循环往复，从而达到实验要求。

(2)风力摆的运动控制

本系统采用了4只轴流风机作为驱动力，用MPU6050陀螺仪实时采集风力摆的当前状态数据，STM32单片机接收数据后结合PID算法进行处理，并调节输出PWM占空比，控制4只轴流风机的工作状态，从而实现了对风力摆的控制。

(3)系统总体框图

系统的总体框图如图B-9-3所示。

如图B-9-2所示，为系统俯视图。发挥部分受力分析：F2与F相等，当摆杆达到转折点时给其一个F1，其合力与切线方向夹角尽量要小，如此循环往复，从而达到实验要求。

(2)风力摆的运动控制

本系统采用了4只轴流风机作为驱动力，用MPU6050陀螺仪实时采集风力摆的当前状态数据，STM32单片机接收数据后结合PID算法进行处理，并调节输出PWM占空比，控制4只轴流风机的工作状态，从而实现了对风力摆的控制。

(3)系统总体框图

系统的总体框图如图B-9-3所示。

图B-9-3　系统总体框图

4.功能指标实现方法

采用PID算法。PID算法是在过程控制中，按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制器(亦称PID调节器)，是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象，一阶滞后+纯滞后与二阶滞后+纯滞后的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活(PI、PD)。

图B-9-3　系统总体框图

4.功能指标实现方法

采用PID算法。PID算法是在过程控制中，按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制器(亦称PID调节器)，是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象，一阶滞后+纯滞后与二阶滞后+纯滞后的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活(PI、PD)。

图B-9-4　模拟PID控制系统框图

5.测量控制分析处理

根据题目要求测量：

①从静止开始，控制风力摆15 s内在地面画出一条不短于50 cm的直线段，线性差不大于±2.5 cm，且具有较好的重复性。

②从静止开始，15 s内完成幅度可控摆动，画出长度在30～60 cm间可设直线段，长度偏差不大于±2.5 cm，且具有较好的重复性。

③从静止开始，15 s内按指定方向画出不短于20 cm的直线段。

④将风力摆拉起一定角度(30°～45°)，放开后5 s内令风力摆静止。

⑤以风力摆静止时激光笔的光点为圆心，驱动风力摆在地面画圆，30 s内重复3次，半径在15～30 cm内设置，激光笔所画轨迹应该在指定半径±2.5 cm的圆环内。

⑥在第⑤项后继续画圆，在施加外界干扰后5 s后恢复成第⑤项要求的圆周运动。

二、核心部分电路设计

1.风力摆角度检测电路原理

MPU6050相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速度计之间偏差的问题，减小了大量的封装空间。移除加速器与陀螺仪轴间敏感度，降低设定给予的影响与感测器的飘移。数字运动处理(DMP)引擎可减少复杂的融合演算数据、感测器同步化、姿势感应等的负荷。

图B-9-4　模拟PID控制系统框图

5.测量控制分析处理

根据题目要求测量：

①从静止开始，控制风力摆15 s内在地面画出一条不短于50 cm的直线段，线性差不大于±2.5 cm，且具有较好的重复性。

②从静止开始，15 s内完成幅度可控摆动，画出长度在30～60 cm间可设直线段，长度偏差不大于±2.5 cm，且具有较好的重复性。

③从静止开始，15 s内按指定方向画出不短于20 cm的直线段。

④将风力摆拉起一定角度(30°～45°)，放开后5 s内令风力摆静止。

⑤以风力摆静止时激光笔的光点为圆心，驱动风力摆在地面画圆，30 s内重复3次，半径在15～30 cm内设置，激光笔所画轨迹应该在指定半径±2.5 cm的圆环内。

⑥在第⑤项后继续画圆，在施加外界干扰后5 s后恢复成第⑤项要求的圆周运动。

二、核心部分电路设计(https://www.chuimin.cn)

1.风力摆角度检测电路原理

MPU6050相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速度计之间偏差的问题，减小了大量的封装空间。移除加速器与陀螺仪轴间敏感度，降低设定给予的影响与感测器的飘移。数字运动处理(DMP)引擎可减少复杂的融合演算数据、感测器同步化、姿势感应等的负荷。

图B-9-5　陀螺仪模块原理图

2.直流电机电路原理

直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、精确、方便、范围广泛；它具有过载能力大，启动力矩大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速启动、制动和反转的特性；能满足各种生产过程自动化系统不同的特殊运行特点的要求。其驱动原理图如图B-9-6所示。

图B-9-5　陀螺仪模块原理图

2.直流电机电路原理

直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、精确、方便、范围广泛；它具有过载能力大，启动力矩大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速启动、制动和反转的特性；能满足各种生产过程自动化系统不同的特殊运行特点的要求。其驱动原理图如图B-9-6所示。

图B-9-6　直流电机原理图

3.显示屏电路原理

TFT是指薄膜晶体管，即每个液晶像素点都是由集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动，从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息，是目前最好的LCD彩色显示设备之一，其每个像素点都是由集成在自身上的TFT来控制，是有源像素点。因此，不但速度可以极大地提高，而且对比度和亮度也大大提高了，同时分辨率也达到了很高水平。

如图B-9-7所示为TFT电路原理图。

图B-9-6　直流电机原理图

3.显示屏电路原理

TFT是指薄膜晶体管，即每个液晶像素点都是由集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动，从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息，是目前最好的LCD彩色显示设备之一，其每个像素点都是由集成在自身上的TFT来控制，是有源像素点。因此，不但速度可以极大地提高，而且对比度和亮度也大大提高了，同时分辨率也达到了很高水平。

如图B-9-7所示为TFT电路原理图。

图B-9-7　TFT电路原理图

三、系统软件设计分析

1.系统总体工作流程

主流程图如图B-9-8所示。

图B-9-7　TFT电路原理图

三、系统软件设计分析

1.系统总体工作流程

主流程图如图B-9-8所示。

图B-9-8　主程序流程图

2.主要模块流程图

如图B-9-9所示为摆杆角度子系统流程图。

图B-9-8　主程序流程图

2.主要模块流程图

如图B-9-9所示为摆杆角度子系统流程图。

图B-9-9　摆杆角度子系统流程图

四、竞赛工作环境条件

(1)软件环境：Keil。

(2)仪器设备硬件平台：STM32最小系统板。

(3)配套加工安装条件：用钢材焊接的支撑架，用胶管做摆杆，将风机固定在木板上，木板中心与摆杆连接。

(4)前期设计使用模块：涵道风机及驱动模块。

五、作品成效分析

1.系统测试性能指标

测试结果及分析如下。

基础部分一：

表B-9-1　风力摆15 s内画长于50 cm直线，线性偏差度不大于±2.5 cm

图B-9-9　摆杆角度子系统流程图

四、竞赛工作环境条件

(1)软件环境：Keil。

(2)仪器设备硬件平台：STM32最小系统板。

(3)配套加工安装条件：用钢材焊接的支撑架，用胶管做摆杆，将风机固定在木板上，木板中心与摆杆连接。

(4)前期设计使用模块：涵道风机及驱动模块。

五、作品成效分析

1.系统测试性能指标

测试结果及分析如下。

基础部分一：

表B-9-1　风力摆15 s内画长于50 cm直线，线性偏差度不大于±2.5 cm

基础部分二：

表B-9-2　风力摆15 s内画不同长度直线测试线性偏差度不大于±2.5 cm

基础部分二：

表B-9-2　风力摆15 s内画不同长度直线测试线性偏差度不大于±2.5 cm

基础部分三：

表B-9-3　风力摆15 s内画不同角度直线测试

基础部分三：

表B-9-3　风力摆15 s内画不同角度直线测试

基础部分四：

表B-9-4　风力摆5 s内恢复静止测试

基础部分四：

表B-9-4　风力摆5 s内恢复静止测试

发挥部分一：

表B-9-5　风力摆30 s内画圆3次测试

发挥部分一：

表B-9-5　风力摆30 s内画圆3次测试

发挥部分二：

表B-9-6　外界干扰后5 s内恢复圆周运动

发挥部分二：

表B-9-6　外界干扰后5 s内恢复圆周运动

发挥部分三：

在15 s内画一个正方形。

经过多次测量证明：本系统较好地完成了本次设计的要求，且性能良好，方便快捷，测试中未出现意外情况。

2.成效对比得失分析

本作品能够采集风机所在角度的实时数据，并通过PID控制风机的转速，在TFT屏上显示连接杆的当前角度。系统结构简单、方便，但稳定性有待进一步的提高。

3.创新特色总结及展望

经过四天三夜的辛勤努力，基于STM32单片机为控制核心的风力摆控制系统设计终于完成。通过合理的系统构建和软件编程，本系统能够较好地完成题目的要求与自主创新的15 s内画小正方形的目标。实际测试表明，所设计系统的稳定性有待改进。本次竞赛极大地锻炼了我们各方面的能力，虽然我们遇到了很多困难和障碍，但总体上成功与挫折交替，困难与希望并存，我们将继续努力争取更大的进步。

六、参考资料

［1］童诗白，华成英.模拟电子技术基础［M］.4版.北京：高等教育出版社，2009

［2］阎石.数字电子技术基础［M］.5版.北京：高等教育出版社，2009

［3］张友德，赵志英，涂时亮.单片微型机原理、应用与实践［M］.5版.上海：复旦大学出版社，2009

发挥部分三：

在15 s内画一个正方形。

经过多次测量证明：本系统较好地完成了本次设计的要求，且性能良好，方便快捷，测试中未出现意外情况。

2.成效对比得失分析

本作品能够采集风机所在角度的实时数据，并通过PID控制风机的转速，在TFT屏上显示连接杆的当前角度。系统结构简单、方便，但稳定性有待进一步的提高。

3.创新特色总结及展望

经过四天三夜的辛勤努力，基于STM32单片机为控制核心的风力摆控制系统设计终于完成。通过合理的系统构建和软件编程，本系统能够较好地完成题目的要求与自主创新的15 s内画小正方形的目标。实际测试表明，所设计系统的稳定性有待改进。本次竞赛极大地锻炼了我们各方面的能力，虽然我们遇到了很多困难和障碍，但总体上成功与挫折交替，困难与希望并存，我们将继续努力争取更大的进步。

六、参考资料

［1］童诗白，华成英.模拟电子技术基础［M］.4版.北京：高等教育出版社，2009

［2］阎石.数字电子技术基础［M］.5版.北京：高等教育出版社，2009

［3］张友德，赵志英，涂时亮.单片微型机原理、应用与实践［M］.5版.上海：复旦大学出版社，2009