风力摆控制系统论文

方案论证与比较1.1总体方案设计本系统以STM32F103单片机为控制核心，包括电源模块，单片机控制模块、按键选择模块、声光报警模块、风机驱动模块、角度检测模块。采用直流开关电源给驱动和单片供电，驱动将电压稳压后给风机供电。由按键选择风力摆的工作模式，单片机通过ULN2003驱动模块控制风机转速，改变风力摆的摆角。MUP—6050陀螺仪检测风力摆的摆角并将数据反馈给单片机，对此数据进行卡尔曼滤波和PID控制算法处理后，单片机声光报警，输出PWM波控制驱动模块调节风机转速。图1-1为系统总方案设计框图。图1-1系统总方案设计框图1.2单片机控制模块方案论证与比较方案一：采用STC8051单片机作为本系统主控器。51系列单片机功耗较高，8位微型处理器运算速度慢，5个中断源，无硬件乘法器，片内资源少。但价格低廉，使用简单。方案二：采用MSP430F149.单片机作为本系统的主控器。MSP430F149单片机德州仪器开发的一种超低功耗微控制器，它是一款16位单片机，内含12位ADC，运算速度较快，价格略贵。方案三：采用STM32F103单片机作为本系统主控器。STM32系列是基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM

。STM32F103是一款常用的增强型系列微控制器。STM32F103增强型系列使用高性能的ARM/Cortex-M3/32位的RISC内核，运算速度极快，精度高，执行能力强，中断源多。综上三种方案，STM32F103单片机比其他两个单片机运算速度都快，精度更高，处理能力强，功耗低，且价格适中，能大大降低系统复杂度，提高了系统的性价比，因此我们选方案二。1.3角度检测模块方案论证与比较方案一：采用导电塑料角位移传感器WDS35D。WDS35D传感器采用特殊形状的转子和绕线线圈，模拟线性可变差动传感器的线性位移。WDS35D测量范围为0°～360°，输出电压范围输入电压有关，输出精度为1mv，测量精度为0.1°，可以实现对角位移的精确测量。但WDS35D操作复杂，不易控制，价格较高，适用于对角度精度和稳定性要求极高的复杂控制系统。方案二：采用MPU6050陀螺仪模块。MPU-60X0

是全球首例9

轴运动处理传感器。它集成了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，MPU—6050对于角度的采集精度高，易于操作。综上两种方法，MPU—6050和WDS35D可都以进行精确测量，但MPU—6050陀螺仪模块体积小、精度高、采集速度快、操作简单，而WDS35D操作复杂，价格较高，不实用，故我们选择方案二。1.4驱动模块方案论证与比较方案一：采用以L298N为主芯片的驱动电路。L298N是ST公司生产的一种二相和四相电机的专用驱动器。L298N是可以承受高压大电流的双全桥式驱动器，可驱动直流和步进电机，其输出电流大，功率大，一次可以同时控制两个电机，价格适中，是比较常见和实用的电机驱动模块。方案二：采用ULN2003驱动模块。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，可直接驱动继电器等负载，其操作简单，易于控制，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等优点。综上两种方案，我们采用ULN2003模块驱动。按照题目要求我们选择的轴流风机所需驱动电压较小，而以L298N为主芯片的驱动电路驱动电压过大，而ULN2003模块的驱动电压刚好适用，故我们选择方案二。2系统理论分析及计算系统要实现风力摆的规律运动，使激光笔画出运动轨迹，单片机对与角度数据的处理是非常重要的。本系统中由陀螺仪检测风力摆的摆角，陀螺仪共检测到风力摆3组角速度、重力加速度数据，由于此数据为非线性信号，所以要先采用低通滤波进行信号处理，然后对采集数据进行四元数与欧拉角的转换，转换后的数据经卡尔曼滤波得到易于控制的线性信号，最后由PID控制算法计算得到单片机所应该输出的PWM波，由此调节风机转速，实现风力摆的规律运动。2.1四元数与欧拉角的转换角度数据经低通滤波后变得较为平滑，但此数据为非线性信号，不能直接用于控制，需要进行四元数与欧拉角的转换。四元数是简单的超复数，复数是由实数加上虚数单位i组成。四元数就是由一个实数加上三个元素i、j、k组成，四元数一般可表示为a+bi+cj+dk，且。假设刚体坐标系为b系，地理坐标系为R系，则地理坐标系R到刚体坐标系b的坐标变换为：欧拉角是用来唯一地确定定点转动明体位置的三个一组独立角参量，由章动角、进动角和自转角组成，已知任一瞬时的某一角的各个分量，也可求出其他两角时间的关系，因而也就决定了刚体的运动。四元数转换成欧拉角的变换为：2.2卡尔曼滤波卡尔曼滤波一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。由于观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程。数据滤波是去除噪声还原真实数据的一种数据技术,滤波在测量方差已知的情况下能够从一系列存在测量噪声的数据中，估计动态系统的状态。在本系统中以风力摆所有过去的摆角输入和扰动作用最小参数的集合为基础对未来摆角数据进行预测，从输出和输入观测数据求出的系统状态最优估计，能够与未来的输入与系统的扰动一起确定风力摆摆角的整个变化。非线性数据经过卡尔曼滤波作用后可以大幅度提高控制精度，减少系统误差，增加系统的稳定性。2.3PID控制算法理论分析PID调节是一种线性调节，它将给定值与实际输出的偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。当被控对象的结构和参数不能完全掌握或得不到精确的数学模型，控制理论和其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID技术最为方便，即使当我们不完全了解一个系统和被控对象，或是不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，也适合采用PID控制技术。在本系统中被控对象为风力摆，其数学模型以及理论计算并不容易，故我们采用位PID控制算法对经卡尔曼滤波后的数据进行计算。其中P为比例系数；I为角度误差的积分系数；D为微分系数。OUTPUT=P*Error+D/dt*[Error(n)-Erro(n-1)]系统控制框图如图2-1所示。图2-1系统控制框图

3硬件与软件的设计3.1硬件的实现3.1.1单片机控制模块设计基于STM32F103单片机的主控电路，STM32F103是ST旗下的一款常用的增强型系列微控制器，STM32F103增强型微控制器系列使用高性能的ARM/Cortex-M3/32位的RISC内核，具有处理能力强，功耗低，执行能力强，中断源多等优点。在整个系统中由STM32F103单片机控制实现整个功能，包括陀螺仪对摆角数据的采集，卡尔曼滤波处理非线性信号，PID控制算法计算、风机的驱动以及声光报警等功能。系统采用C语言进行编程，C语言生成目标代码质量高，程序执行效率高，更易控制系统。图3-1为STM32F103单片机最小系统电路图。图3-1STM32F103单片机最小系统电路图3.1.2电源与驱动模块设计本系统采用LM2596开关电源供电，LM2596为可调式的开关电源，可固定输出3.3V、5V、12V电压，可调版本可以输出小于37V的各种电压。具有很好的线性和负载调节特性。LM2596将输出电压同内部基准稳压值进行比较，通过放大器调节去芯片内部振荡器的输出占空比，从而稳定输出电压，稳定输出的电压经电容进行平滑滤波。在实际操作中通过调节R2改变输入电压，经LM2596稳压得到所需电压。本系统中通过经LM2596稳压得到3.3V、5V、7V电压，分别给单片机、驱动、声光报警模块、风机供电。电源模块电路如图3-2所示。图3-2电源模块电路图3.1.2驱动模块设计本系统采用ULN2003驱动模块驱动轴流电机作为本系统的执行机构。单片机对角度数据处理后输出PWM波控制ULN2003驱动模块。ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅达林顿管组成。ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。

在本系统中所选的轴流电机所需驱动电压较小，ULN2003驱动模块驱动电压刚好适用，ULN2003实际为多个NPN三极管，相比其他驱动模块，ULN2003操作简单，易于编程。驱动模块电路如图3-3所示。图3-3驱动模块电路图3.1.3声光报警模块设计本系统采用蜂鸣器和LED灯作为声光报警模块。按照题目要求运动达到要求时要进行一定的声光提示，题目要求不高，蜂鸣器和LED灯完全能够达到要求。在此模块中系统采用三极管9012作为开关控制LED灯亮、蜂鸣器报警。三极管9012为NPN型三极管，当运动轨迹达到要求时，单片机给NPN9012基极一个低电平时，三极管导通，LED灯亮、蜂鸣器报警。在电路中1N4007二极管主要起保护电路作用。驱动模块电路如图3-4所示。图3-4电源模块电路图3.2软件的实现本系统采用STM32F103单片机为控制器，采用C语言编程。程序主要起导向和决策的作用，它控制整个系统稳定协调的运作。在本系统中，对各个模块的调试采用分步进行，确定各个模块的独立工作完整性，然后再对整个系统所有模块进行完糅合，使其完成系统的所有功能。由按键选择风力摆的工作模式，单片机通过控制风机转速改变风力摆的摆角。陀螺仪检测风力摆摆角将数据反馈给单片机，采用低通滤波进行非线性信号处理，然后进行四元数转换，经卡尔曼滤波得到易于控制的线性信号，最后由PID控制算法得到PWM波，由此调节风机转速，实现风力摆的规律运动。系统主流程图如图3-5所示。图3-5系统主流程图中断流程图如图3-6所示。图3-6中断流程图

4系统测试4.1主要测试用的仪器在室温条件下，测试所用仪器如表4-1所示。表4-1测试仪器编号型号数量1直尺1个2量角器1个3秒表1个4.2指标测试结果测试风力摆从处于自然下垂状态开始，15秒内激光笔是否能够画出50㎝的直线段，是否能够画出自由设定30~60㎝的自由线段，风力摆是否能够按照设定运动，以及将风力摆拉起30°~45°时能否静止，共测试6组数据，如表4-2所示。表4-2摆杆角度测试结果次数能否画出50㎝的直线段能否画出自由设定30~60㎝的自由线段能否按照设定运动能否静止1能能能能2能能能能3能能能能4能能能能5能能能能6能能能能4.3测试结果及误差分析经过测试，本系统基本完成了基础部分的要求，完成情况如表4-3所示。表4-3测试结果题目要求完成情况基本部分（1）从静止开始，15s内控制风力摆做类似自由摆运动，使激光笔稳定地在地面画出一条长度不短于50cm的直线段，其线性度偏差不大于±2.5cm，并且具有较好的重复性。完成续表4-3基础部分（2）从静止开始，15s内完成幅度可控的摆动，画出长度在30~60cm间可设置，长度偏差不大于±2.5cm的直线段，并且具有较好的重复性。完成（3）在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近165°位置，外力撤除同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于5s；期间旋转臂的转动角度不大于90°。完成发挥部分（1）以风力摆静止时激光笔的光点为圆心，驱动风力摆用激光笔在地面画圆，30s内需重复3次；圆半径可在15~35cm范围内设置，激光笔画出的轨迹应落在指定半径±2.5cm的圆环内。完成（2）在发挥部分（1）后继续作圆周运动，在距离风力摆1~2m距离内用一台50~60W台扇在水平方向吹向风力摆，台扇吹5s后停止，风力摆能够在5s内恢复发挥部分（1）规定的圆周运动，激光笔画出符合要求的轨迹。完成经过测试，本系统完成了预期的目标。误差分析，由于STM32F103自身的精度，外围电路中非线性元件，陀螺仪精度导致数据采集、处理有一定误差,单片机对采集到的信号进行滤波、数据转化、PID数据处理时也会产生误差，搭建的硬件之间会产生摩擦，这些因素都会造成误差。总结经过一周的努力，本组完成了由STM32F103单片机控制的风力摆控制系统。通过测试，风力摆从处于自然下垂状态开始，15秒内激光笔能够画出50厘米的直线段，能够画出自由设定30~60厘米的自由线段，风力摆也能够按照之前的设定运动，将风力摆拉起30°~45°时，5秒内能够静止。经过努力，我们非常完整的实现了设计的目标。

参考文献[1]全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编[M].北京理工大学出版社,2004.8[2]阎石.数字电子技术基础（5版）[M].高等教育出版社,2006[3]童诗白等.模拟电子技术基础.第3版[M].2001[4]http://[5]康华光.电子技术基础（模拟部分）[M].（5版）高等教育出版社,2005[6]全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编[M].北京理工大学出版社,2004[7]陈永真等.2011版全国大学生电子设计竞赛硬件电路设计精解[M].电子工业出版社,2011[8]黄争著.德州仪器高性能单片机和模拟器件在高校中的应用和选型指南.上海:德州仪器半导体技术（上海）有限公司大学计划部,2010[9]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京理工大学出版社[10]张新喜等.Multisim10电路仿真及应用[M].机械工业出版社[11]陈晓鸽等.AltiumDesigner电路设计标准教程[M].科学出版社[12]康华光.电子技术基础[M].(5版).高等教育出版社,2005[13]董景新等.控制工程基础（2版）.清华大学出版社,2001基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATmega16单片机的流量控制器的开发基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发锅炉的单片机控制系统