风力摆控制系统 设计报告

摘要：本系统主要是以STM32单片机为控制芯片控制4只直流轴流风机，从而调节风机转速来控制使风力摆呈现不同状态的控制系统。该系统主要由主控板，无线遥控器，直流轴流风机，摆架框架等四大部分组成风力摆控制系统。

关键字：风力摆无线 STM32单片机直流轴流风机

一．系统方案

1.系统方案论证

本系统主要由遥控模块、控制模块、陀螺仪模块、直流轴流风机组成，添加一些辅助电路作为扩展功能。系统工作有六种工作模式，使用无线遥控切换模式并显示。下面分别论证这几个模块的选择。

1.1直流风机的论证与选择

方案一：使用直流鼓风机。直流鼓风机的机械摩擦非常小，具有较大的精度，并能提供足够的风力进行运动。但在实验过程中，风机启动速度较慢，且由于其自身重量过大，风摆在运动过程中受惯性影响极大，不能有效的完成任务要求。

方案二：采用直流轴流风机。直流轴流风机是在固定位置使空气流动，自身重量和体积都比较小，且出风口大，能够很好的提供动力与控制。在实验过程中能够较快的启动，并能较好的实现任务要求，符合实验需要。

综合以上两种方案，风力摆在运动过程中需要进行实时控制摆杆的姿态，且需要风机启停反应快，故选择方案二。

1.2控制器模块的论证与选择

根据设计要求，控制器主要用于计算摆杆姿态、控制直流轴流风机PWM、使摆杆能完成相应等功能。

方案一：采用STC89C51作为系统控制器。它的技术成熟，成本低。STC89C51是8位的单片机，数据传输速度慢，在用于精密的操作时，不能满足实时控制的要求，且复杂的控制算法难以实现，不利于控制。

方案二：采用意法半导体公司的STM32F103单片机作为控制器。STM32系列单片机是32位、RISC、低功耗的处理器。在进行高精密的操作时，处理能力非常强，运算速度快，具有很好的控制能力，且成本低，更符合实验要求。

综合考虑以上两种方案，采用方案二。

2.系统结构

根据上述方案的论证，我们确定以STC32F103作为控制核心，采用型号为PFB0812XHE的直流轴风机控制摆杆运动，用陀螺仪MPU6050检测状态数据，并将采集到的数据传输给控制板，然后通过单片机计算处理得出摆杆的姿态并调整直

流轴风机的转速，从而使摆杆快速获得需要的状态，通过对应的无线遥控，设置相应的功能并发送给控制板，使其实现对应的功能，完成任务要求。系统设计框图如图1所示

图1 设计系统框图

二．系统理论分析与计算

1.直流轴风机选型

本系统采用型号为PFB0812XHE的直流轴风机控制摆杆运动，电压为12V，电流4.65A。此型号直流轴风机大小适中，重量较轻，产生的风力较大且能较快的启动，符合本系统要求。

2.摆杆状态检测

本系统采用陀螺仪MPU6050采集摆杆的当前姿态数据，将采集到的数据实时传递给单片机，通过单片机PID计算处理后控制PWM的输出，使直流轴流风机转速改变，进而使摆杆达到相应的任务要求。

3.运动控制

风力摆的运动是连续运动，摆杆的变化也是连续的变化过程，因此我们采用PID控制算法。对直流电机或多圈电位器为执行器件的系统中，基本采用增量式PID算法进行控制。

由于单个直流轴风机，只能产生一个方向的力，为了便于控制，我们将4个直流轴风机直立围绕成一个正方形（出风口向外），使四周都能产生相同的风力。然后单片机将陀螺仪MPU6050采集到的数据，确定其当前摆杆的姿态，在进行PID 算法以后，将得到的结果对应去控制直流轴风机的转速，以达到控制摆杆完成相应动作的效果

三．电路与程序设计

1．电路设计

（1）陀螺仪模块

陀螺仪MPU6050模块的实物硬件图如图3所示。它与单片机的连接图如图附录总图所示。在这里主要使用的是它的3轴定位功能和加速度功能。

图2 MPU6050硬件模块图

（2）最小系统模块

STM32单片机是意法半导体公司生产的32位低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。其主要特点是处理能力强、运算速度快、低功耗等。在这里主要使用开发板原理图如图4所示。

图3 最小系统板原理图

2．程序设计 程序功能描述

本系统的软件部分主要由数据采集模块、无线接收和发送、直流轴流风机PWM 、PID 控制模块函数组成。当单片机上电后，根据不同的按键，遥控模块无线发送对应的工作模式，风力摆的控制板按照接收到的不同工作模式，对应的完成不同的的要求工作。软件部分可实现对读取陀螺仪输出的数据信号，对直流轴流风机进行控制，实现摆杆的运动。程序流程图如图5所示。部分程序如附录一所示。

图4 系统软件流程图

模式一：从静止开始，15s 内控制风力摆做自由摆运动，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正负2.5cm ，并且具有较好的重复性；

模式二：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，长度偏差不大于正负2.5cm的直线段，并且具有较好的重复性；

模式三：可设定摆动方向，风力摆从静止开始，15s内按照设置的方向（角度）摆动，画出不短于20cm的直线段；

模式四：将风力摆拉起一定角度（30—45度）放开，5s内是风力摆制动达到静止状态；

模式五：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花园，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制定半径2.5cm的圆环内；

模式六：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。

四．测试方案与测试结果

1．测试方案

按照调试的顺序，按照以下步骤进行调试。

1）调试直流轴流风机的（PWM）速度

2）调试单片机与陀螺仪之间的数据传输

3）调试系统PID控制的三个参数值：balance.kp、balance.ki、balance.kd 4）调试各模式相应直流轴流风机的转速

5）调试两个无线模块的数据传输

2．测试仪器：

数字示波器，秒表，米尺，量角尺，风速仪，12V5A直流电源。

3．测试结果

硬件实物图如附录三所示。

（1）直流轴流风机的PWM能够正常控制其运转速度

（2）陀螺仪能正常的将数据发送给控制板，其中陀螺仪MPU6050模块的通信模式为IIC

（3）PID控制的调试：确定balance.kp、balance.kd、balance.kd三个参数的值