电子设计大赛风力摆控制系统论文[B]

1、2015年全国大学生电子设计竞赛风力摆控制系统（B题）参赛队号：20152015年8月15日风力摆控制系统（B题）【本科组】摘 要 针对题目各项要求，采用软硬件结合方法设计风力摆控制系统。以STM32单片机为主控制芯片、MPU6050传感器检测摆杆姿态角、利用PID算法调节电机驱动芯片输出合适的PWM波形驱动风机，通过OLED显示屏显示相关参数，按键输入数据等；机械结构满足设计要求，风力摆能够实现画直线、任意角度悬停、画圆等动作，在受外界干扰后能够自动恢复预定姿态。具有良好的人机交互界面，各参数可动态调整，基本实现风力摆系统的自动控制。关键词：风力摆、单片机、姿态角、PID算法目 录一、 系统

2、方案11、系统控制方案的论证与选择12、控制芯片的论证与选择13、电源方案的论证与选择24、控制算法的选择2二、系统理论分析与计算31、PID算法的分析32、风力摆的角度、加速度计算43、电机转速与风力摆控制分析4三、电路与程序设计41、电路的设计4（1）系统总体框图4（2）电机驱动电路图5（3）电源52、程序的设计5（1）程序功能描述与设计思路5（2）程序流程图6四、测试方案与测试结果61、测试方案6（1）硬件测试6（2） 硬件软件联和调试62、测试条件与仪器73、测试结果及分析7（1）画直固定直线测试7 (2) 画不同长度直线测试,如表2所示。7（3）画圆测试7（4）测试分析与结论8五、结

3、论与心得8六、参考文献8附录1：电路原理图9附录2：源程序10I一、 系统方案 本系统主要有STM32F103最小系统、电机驱动模块、陀螺仪加速度计传感器MPU6050、轴流风机、显示屏、机械结构、电源模块构成。通过传感器实时的检测角度，通过PID算法根据角度是单片机输出合适的PWM波形，驱动电机驱动芯片带动轴流风机实现轴流风机转速的变化；轴流风机的注定在摆动轴的底部，有多个风机实现、风力摆的画直线、任意角度控制、围绕中心轴画圆等，在OLED显示屏屏上实现数据参数的实时显示，参数的实时调整。如图1-1所示。下面分别论证这几个模块的选择。图1-1 系统方案1、系统控制方案的论证与选择方案一：使用

4、两个轴流风机，简单的两个的轴流风机实现画直线、画圆，两个直流风机的安装要保证能够画圆、所以直流风机的安装不能是同一个轴的方向，要保证有一定的角度，两个风机的转速一个保证偏离固定的角度、另一个保证偏离固定的横滚角度，这种方案得优点是使用的风机个数较少，同时底部风机的质量不太大，只要保证风机的驱动能力，就能够实现基本的要求；但是这种方式对控制算法的要求较高，算法较为复杂，同时也不能保证较好的稳定性，对于要求较复杂的控制，不一定能够实现相应的控制。方案二：使用三个直流风机，三个直流风机实现激光笔的画直线、画圆，三个风机轴向夹角互为120度，在画直线时两个轴流风机同时工作，提供足够的风力；在画圆时，开

5、启第三个风机工作，实现自动画圆。这种方案控制方式同样的较为复杂，使用了三个风机使得系统的质量加重。但是比较两个风机，系统的稳定性较高。综合以上两种方案，选择方案二。2、控制芯片的论证与选择 方案一：控制芯片在满足系统要求的前提下保证处理效率和高的可靠性、功耗等。使用51系列单片机作为控制芯片，有着较高的可靠性，能够保证驱动大功率电机时单片机不易损坏，但是51单片机处理的速度较慢，内部可用的资源太少，需要很多的程序来模拟相应的控制资源，比较麻烦。 方案二：使用STM32F103作为控制芯片，STM32F103单片机属于Cortex-M3系列的MCU，内部的资源较为的丰富，有多个定时器、AD模块等

6、，完全满足系统的要求。同时STM32的可靠性较高，外部晶振经分频可达72MHZ，有着较高的数据处理能力，同时芯片的功耗较低，完全满足系统对实时性，可靠性、处理速率的要求。综合以上两种方案，选择方案二。3、电源方案的论证与选择 方案一：电源的稳定是保证整个系统正常工作的前提，系统的电源包括控制电路的电源,有5V和3.3V，12V。选用大功率航模锂电池作为系统的整体电源，12V经过稳压芯片的稳压直接输出符合要求的电源。将锂电池的电源端口直接接在电机驱动的功耗电压输入端，供给电机。这种方式电源设计简单，体积小，易于实现；但是这种方式电源直接接在电机上，一旦电源的电压有所下降电机的转速会在统一参数下发

7、生莫名其妙的变化，会对参数产生重大的影响 ，不能方便的调试参数。 方案二：采用变压、整流滤波、稳压的方式，输出相应的电压。220V交流市电经过变压器得到合适的电压，经过整流桥整流成直流电，然后经过RC滤波电路输出较稳定的电压，然后通过稳压芯片7805、1117输出稳定的5V、3.3V电源供给控制电路使用。电机通过大功率开关电源供给12V电源，这样能够保证电机的工作电压稳定，同时保证了电机对大功率的要求，而且将控制电路的电源和电机的电源分开，保证电源之间不会干扰，保证控制电路不会因电机的大电流工作而烧坏。综合考虑采用方案二。4、控制算法的选择 方案一：模糊控制算法, 模糊控制是一种非线性控制，属

8、于智能控制的领域。模糊控制有许多良好的特性,它不需要事先知道对象的数学模型,具有系统响应快、超调小、过渡过程时间短等优点，但编程复杂，数据处理量大。模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。方案二：采用PID算法，原理简单，使用方便；适应性强；鲁棒性强，其控制品质对被控对象的变化不太敏感，非常适用于环境恶劣的工业生产现场；PID算法有一套完整的参数整定与设计方法，易于被工程技术人员掌握；许多工业回路中对控制快速性和控制精度要求不是很

9、高，而更重视系统的可靠性时，使用PID控制能获得较高的性价比；长期应用过程中，对PID算法缺陷可以进行改良。优点是控制精度高,且算法简单明了。对于本系统的控制已足够精确，节约了单片机的资源,同时减少了运算时间。综合比较以上两个方案，本系统选择方案二。二、系统理论分析与计算1、PID算法的分析 PID控制是将偏差的比例（Proportional）、积分（Integral）和微分（Differential）三者通过线性组合构成控制量。 比例调节规律依据“偏差的大小”来动作，它的输出变化量与输人偏差成比例，调节平稳，作用及时，能有效地克服各种干扰，是最基本的调节规律，它的缺点是不能消除余差，因此只能

10、用于那些对被调参数精度要求不高的场合。常用比例度kp表示比例调节作用的强弱。kp越小，表示比例增益越大，比例调节作用越强。同时，kp越小，被调参数余差也越小，但调节系统稳定性下降。常规的PID控制系统原理框图如图2-1所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。图2-1 PID模型PID控制器是一种线性控制器，其控制算法的模拟表达式是：如图2-2所示。图2-2 PID公式 在本PID调节系统中，比例调节风力摆的转速大小，时转速合适的根据角度来输出，能够使风力摆较好较好较快的保持在某一个固定的角度，它具有反应快、无滞后的特点，能及时克服扰动干扰，使被控参数稳定在给定值附近。但比例控制不能消除稳态

11、误差，当KP过大时会应引起系统不稳定。积分控制的作用是，只要系统存在偏差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除偏差，因此，只要有足够的时间，积分作用将能完全消除误差，但积分调节动作缓慢，其调节作用总是滞后于偏差信号的变化。而且，当积分作用太强时，会使系统超调加大，甚至使系统出现震荡。微分控制可以减小超调量，使系统稳定性提高。它能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得不很大之前，在系统中引入一个有效超前修正信号，提高风力摆系统的稳定性，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。 2、风力摆的角度、加速度计算 风力摆的角度有传感器MPU60 50得到，使用到了MPU6050的IIC协议，有单

12、片机的I/O口模拟相关的时序，独处相对应的角度，和加速度，分别得到俯仰角、横滚角和、偏航角；传感器的安装位置保持偏航角的垂直线和风力摆的中心轴同向；这样在摆动过程中就可以有俯仰角测出，摆动的角度大小；单片机得到相应的角度后，由PID相关的算法，合理的调试出三个参数作用在PWM输出合适随时动态的占空比，驱动电机驱动芯片，带动风机高速运转。3、电机转速与风力摆控制分析 如何实现画直线、画圆等复杂的动作的呢？再画直线时要求风力摆有较好的线性度，这就要求在安装风机是尽可能的角度准确，在风机合理的合理的作用力产生的合力，从而推动风机作画直线的运动，最开始可以设置一个合理的角度，在垂直状态下，开启一个风机

13、，在风机摆动到对应角度后，立即停止风机的运转，风机靠重力左自由下降的落体运动，同时开启另一侧的电机，使其反方向的吹动，同样摆动到对应角度后，风机停转，这样就基本上实现风力摆的类似自由摆的运动。三、电路与程序设计1、电路的设计（1）系统总体框图系统总体框图如图3-1所示：图3-1 系统总体图（2）电机驱动电路图1.光耦隔离输入端电路图，如图3-2所示。图3-2 光耦电路图 2.驱动芯片电路图，如图3-3所示。图3-3 电机驱动图（3）电源电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V或者12V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。2、程序

14、的设计（1）程序功能描述与设计思路1、程序功能描述程序上，实现了根据传感器测出的风机姿态角输出合适的PWM波形；由于系统的实时性要求较高，同时还要处理其他的任务，所以采用了定时器中断的方法，定时器中定时输出合适的时间片，根据相应的标志位作出相应的任务计算；定时器的中断时间为1ms。同时为了方便的调试各种参数，在系统中加入了OLED显示电路，实时的根据传感器显示相关的参数。同时系统根据按键输入电路，实时的调整相关的参数；实现对风机摆的自由摆的运动、画圆的运动等等。2、程序设计思路驱动电机时要求能够实时的调整转速，这就要求输入电机的电压能够实时的变化，根据PWM脉宽调制可知，合理的控制其占空比能够

15、调整电压大小，根据传感器实时的测出倾斜的角度，使用PID算法，对输出两进行精确的控制，实现调整电机转速的调整。（2）程序流程图1、主程序流程图本系统开始时现对相应的硬件进行初始化、开启定时器中断、同时在主函数当中调用OLED显示函数显示相关参数，同时调用按键检测函数，检测按键的键值，根据得到的相关键值对应处理相关的任务；在定时器中断中设置相应的任务处理标志位，在定时器中断服务函数中，调用任务处理函数，这样可以保证系统具有较高的实时性，程序流程图如图3-4所示。 图3-4 软件流程图四、测试方案与测试结果1、测试方案（1）硬件测试在使用各个硬件模块时，先测试是否工作正常，硬件模块包括MCU最小系

16、统，电机驱动模块、传感器检测模块、电源模块等；检测最小系统内时测试是否工作正常，电机驱动测试是否满足风机的功率的要求，传感器保证能够正常的输出相关姿态角，电源模块是整个系统的关键，保证良好的可靠性和稳定性。（2） 硬件软件联和调试 在编写总体的程序之前，在确定各个模块的程序工作正常之后，将各个模块的程序组合起来；调试角度输出时，选用卡尔曼滤波的方法和清华角度、角速度耦合的方法得出稳定的角度输出；在调试PID参数时使用电位器，实时的调节PID参数中的P参数，在调好P参数后，再去调节其他的参数。2、测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路

17、保证无虚焊。测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。3、测试结果及分析（1）画直固定直线测试 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，记录其由静止至开始自由摆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 直线测试时间偏差1偏差2偏差3偏差4第一次141.81.92.2 2.8第二次132.32.52.11.6第二次161.82.32.63.2(2) 画不同长度直线测试,如表2所示。表2 风力摆画不同长度直线测试时间偏差1偏差2偏差3偏差430CM91.61.72.33.240CM13

18、2.12.72.52.950CM162.92.32.23.8（3）画圆测试画直径不同的圆，得到相关数据如表3所示。表3 画直径不同的圆测试直径30cm直径35cm直径40cm直径45cm直径50cm时间1618202527偏差距离2.82.93.34.25.8恢复时间2.12.63.63.53.7（4）测试分析与结论根据上述测试数据，测试可得到相关的风力摆的摆动角度与稳定性的关系，侧得画圆时所画的圆稳定性与直径的关系。风机的摆动的动态稳定性与角度有着较大的关系，经过测试可以得到合适的摆动工作角度。五、结论与心得此次电子设计大赛然我收获颇丰，学到的不仅仅是知识，更重要的是那种吃苦耐劳的、永不放弃

19、的精神，一开始的时候我们拿到题目感觉到很茫然，不知道何从下手；但是经过详细的系统分析后，一步一步的解决相应的任务；逐步的实现了任务需求。团队里的三个人分工合作，分别负责程序的编写、硬件电路的设计、机械结构的安装。电子设计大赛是我们展现自己知识能力的一个平台，在短短的四天三夜中，完成一个规模较大的项目的设计实属不易，这就要求我们平时要足够努力，学习相关的知识，才能够在比赛中游刃有余。良好的态度是一切工作正常进行的前提，既然选择电子这条路就没理由不把他走好，在项目进行中不管遇到什么问题我们都不应该放弃，不到最后后一刻你永远不知道会发生什么。我们要做的就是不断的抓紧时间完成项目，项目进行中一定要细心

20、，负责稍有疏忽就会影响整体的进展。我们要和队友良好的相处，处理好队员之间的矛盾和心态；不懂的知识自己可以去学习；调试软件硬件时要有足够的耐心，有时候我们只要坚持一点点就能够成功，阻碍我们发展的往往是自己心情，心胸开阔，善于接受意见和容忍别人的错误，我们要放低自己的姿态，虚心学习，才能在培训和竞赛中有所收获。六、参考文献1谭浩强.C语言程序设计M.北京:清华大学出版社,20122阎石.数字电子技术基础第四版M.北京：高等教育出版社，1999.6.3王福瑞等单片微机测控系统设计大全M北京航空航天大学出版社,1998(331337)4朱贵国,汪党.基于STM32单片机的直流电机调速系统设计J. 数字技术与应用,2013,05:2-3. 5陈鑫,秦宏伟,陈春雨,成宝芝.基于Cortex-M3内核的STM32微控制器研究与电路设计J. 大庆师范学院学报,2013,06:44-47. 6刘慧勇,杨虹. 基于STM32的智能电风扇设计J. 现代电子技