气浮球控制实验系统及测量方法

摘要

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。

主权项

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，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。