2015全国大学生电子设计竞赛风力摆控制系统论文.
2015年全国大学生电子设计竞赛
风力摆控制系统（B题）
2015年8月15日 I 摘 要
系统为由STC 12单片机控制模块、姿态采集模块、风力摆模块、液晶显示模块、人机交互系统以及风力摆机械结构组成的闭环控制系统。MPU6050采集风力摆的姿态角，单片机处理姿态角数据后通过PID精确算法调节直流风机以控制风力摆。本系统实现了风力摆在仅受直流风机为动力控制下快速起摆、画线、恢复静止的功能，并能准确画圆，且受风力影响后能够快速的恢复画圆状态，具有很好的鲁棒性，另外，本系统具有良好的人机交互界面，各参数及测试模式可有按键并通过液晶显示，性能好，反应速度快。
关键词：PID算法 MPU6050 STC 12单片机 人机交互
II 目 录
一、系统方案 ........................................................ 1
1.1主控制器件的论证与选择 ....................................... 1
1.2 姿势采集的论证与选择 ....................................... 1
二、系统理论分析与计算 .............................................. 2
2.1 风力摆控制系统的分析 ....................................... 2
2.2、基础部分功能实现的分析与计算 ............................... 3
2.2.1 基础一功能实现的分析与计算 ............................. 3
2.3、发挥部分功能实现的分析与计算 ............................... 4
三、电路与程序设计 .................................................. 5
3.1电路的设计 ................................................... 5
3.2 基础部分系统框图与电路原理图 ............................... 5
3.2.1基础部分系统框图 ....................................... 5
3.3 发挥部分系统框图与电路原理图 ................................ 6
3.3.1系统框图 ............................................... 6
3.4 电源 ........................................................ 6
3.5程序的设计 .................................................. 6
3.5.1程序功能描述与设计思路 ................................. 6
3.5.2 程序流程图 ............................................ 6
四、测量方案与测量结果 .............................................. 7
4.1测量工具 .................................................... 7
4.2 测试方案及结果 .............................................. 7
五、结论与心得 ...................................................... 8
六、参考文献 ........................................................ 9
附录1：电路原理图 ................................................. 10
附录2：源程序（部分） ............................................. 11
1 风力摆控制系统（B题）
【本科组】
一、系统方案
本系统主要由STC12单片机控制模块、姿态采集模块、风力摆模块、液晶显示模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1．1、主控制器件的论证与选择
1.1.1 单片机比较控制器选用
方案一：采用传统的51系列单片机传统的51单片机为8位机，价格便宜，控制简单，但是运算速度慢，片内资源少，存储容量小，难以存储大体积的程序和实现快速精准的反应控制。并且受时钟限制，计时精度不高，外围电路也增加了系统的不可靠性。
方案二：采用以增强型80C51内核的STC系列单片机STC12C5A60S2，其片内集成了60KB程序Flash，2通道PWM、16位定时器等资源，操作也较为简单，具有在系统调试功能（ISD），开发环境非常容易搭建
通过比较，我们选择方案二，采用以增强型80C51内核的STC系列单片机STC12C5A60S2作为控制器。
1.1.2控制系统方案选择
方案一：采用在面包板上搭建简易单片机系统在面包板上搭建单片机系统可以方便的对硬件做随时修改，也易于搭建，但是系统连线较多，不仅相互干扰，使电路杂乱无章，而且系统可靠性低，不适合本系统使用。
方案二：自制单片机印刷电路板
自制印刷电路实现较为困难，实现周期长，此外也会花费较多的时间，影响整体设计进程。不宜采用该方案。
方案三：采用单片机最小系统。单片机最小系统包含了显示、矩阵键盘、A/D、D/A等模块，能明显减少外围电路的设计，降低系统设计的难度，非常适合本系统的设计。
综合以上三种方案，选择方案三。
1.2、姿势采集的论证与选择
方案一：只测量风力摆关于静止状态时的偏转角。采用二维平面内角位移传感器测量风力摆转动时关于静止状态时的偏转角，通过控制该偏转角实现对流风机的控制。该方案软件处理繁琐，且二维平面内的角位移传感器不利于测量风力摆的空间位置，不利于实现对风力摆的精确控制。
方案二：选用双轴倾角传感器模块 LE-60-OEMLE-60-OEM，测量重力加速度变化，转为倾角变化，可测量双向。具有稳定性高、低功耗、结构简单等优点。响应速度为 5Hz。它可以测量平衡板与水平方向的夹角，x,y 方向可以测，但 z轴不可测。且操作复杂，软件处理难度大。
方案三：采用三维角度传感器。用三维角度传感器时刻测量风力摆当前姿态，通过处理采集的姿态角数据控制风机带动风力摆运动。此方案可精确测量风力摆当前姿态，实现对风力摆的精确控制。
综合比较以上两个方案，本系统选择方案三。 2 1.3、控制系统的论证与选择
1.3.1风机速度控制
方案一：采用D/A变换电路将数字量转换成控制电机电压的模拟量。再利用电平的高低达到调速的目的。原理框图如图1所示。本方案达到了利用CPU输出的数字量精确控制模拟量的目的。但原电路比较复杂，成本较高。
方案二：采用脉宽调制方式（PWM）从I/O口输出不同占空比的脉冲，经滤波后获得不同高低电平控制电机。本方案可以达到对速度的控制要求，且控制简单易实现。
通过比较明显方案二最简洁清晰、容易实现、速度快、精度高。从系统指标要求来看，对速度要求较高，低速与高速之间差别较大，且准确度要求高，各个速度之间的切换也要求简单、迅速。采用方案二可利用单片机运行速度快的特点进行速度的快速调整，且方案二速度准确度高、级数多容易达到系统指标要求。
所以我们选用方案二作为控制部分具体实施的方案。
1.3.2算法的选择
方案一、采用模糊控制算法,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。
方案二、采用PID算法，按比例、积分、微分的函数关系,进行运算,将其运算结果用以输出控制。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和运算时间。
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
2.1、风力摆控制系统的分析
2.1.1风力摆系统模型建立
（1）建立风力摆运动模型，由于系统是由轻杆和风机等组成，相较于风机，轻杆质量很小，可以近似认为旋转臂重心在风机中心线上附近，风机沿半径为L的弧长自由摆动。示意图如图
图.1 自由摆模型示意图
① 最低位置时风机将达到最大速度，因此在不计空气阻力及固定点摩擦力的下利 3 用能量守恒定律有：lvmmg2)θcos1(,在θ不超过60°，l=70cm的情况下。计算得v=2.236m/s，由角速度与线速度之间的关系，得出slv/128
②自由摆周期计算
根据单摆的周期计算公式gLT2；得单摆周期T=1.732ms。
2．2、基础部分功能实现的分析与计算
2.2.1 基础一功能实现的分析与计算
如图2：
图2系统结构图
要绘制超过 50cm 的直线段，只需要在平面内运动即可，如上图所示，只需要R大于
25cm，有公式：21tanLLR;则)arctan(21LLR
其中，R 为横向摆动半长，1L为摆杆长，2L为激光笔长(2L可忽略不计)。
2.2.2 基础二功能实现的分析与计算
要实现任意设置的线段长度，相当于需要实现指定范围内任意的角度，必须使用闭环控制，否则很难实现精确控制。计算公式和基本部分（1）一样，不过，我们需要增加闭环控制算法，详述如下：设置任意直线段长度（30~60cm 间）∆R,那么，对应的摆杆最大角度（角度阈值）为)arctan(21LLR。
如此转换便可得到我们能够测量的物理量（倾角） 传感器将倾角,角速度返回 MCU，MCU
通过控制轴流风机产生空气推力推动摆杆摆动。
2.2.3 基础三功能实现的分析与计算
示意图3：
风力摆系统设计
风力摆系统
摘 要
风力摆系统是一种利用风力对物体进行位置控制的设备，在我国虽然还没有成品的销售与应用，但这种控制理论已经应用于方方面面。目前的普遍问题风力摆系统的自动控制水平不高。
本设计将设计一款智能的风力摆控制系统。主要控制程序由STM32来实现。通过三轴陀螺仪进行角度采集，采集过来的角度值在进行卡尔曼滤波处理，最后将其应用到风力摆系统的控制程序中。主要实现对风力摆进行偏角的收集和计算、控制其运动轨迹，包括其角加速度的控制。风力摆所控制的系统会对各传感器测得的数据进行处理和计算，使对应的设备器件得到有效的、良好的控制，从而使得系统能安全有效地运行。
本设计主控制器利用STM32作为开发硬件系统。它能够对系统进行良好的操控，包括控制与监测风力摆的运动状态、角度值、加速度和平衡参数。轴部是通过万向节连接的，整体运动自如是通过它来实现。系统整体架构清晰，便于操控。
关键词:风力摆;STM32;陀螺仪;卡尔曼滤波
Abstract
Windpendulumsystemisakindofmicrocontrolequipment,thoughnotyetfinishedproductsalesandapplicationinourcountry,butthiskindofcontroltheoryhasbeenusedineveryaspect.Atpresentthecommonproblemsofwindpowersystemautomaticcontrollevelisnothigh.Thisdesignwilldesignaintelligentwindpendulumcontrolsystem.Themaincontrolprogramimplementedbythestm32.AcquisitionthroughthetriaxialgyroAngle,theAngleofthecollectedvaluesinthekalmanfilterprocessing,theAnglevalueshavebeenobtainedthroughcomparingtheAnglevaluesbeforeandafterjudgmentaftertheoscillationamplitude,windpendulumswingwillneedthesizeoftheforceisconvertedintoPWMvalue,thenoutputtothemotordrive,ofcourse,whenthemotortodrivetheoutputtoneedtoaddtheprotectionlightcouplingforphotoelectricisolation.Controlsystemtoprocessthedataofeachsensormeasurementandcalculation,thecorrespondingequipmentdeviceeffectively,goodcontrol,thesystemcanrunsafelyandeffectively.ThisdesignusesSTM32asmaincontrollerhardwaresystemdevelopment.Itcancarryonthegoodcontrolofthesystem,includingthecontrolandmonitoringwindpendulummotionstate,Angle,acceleration,andbalanceparameters.Axisisthroughuniversaljointconnection,andtheoverallfreelyistoachievethroughit.Overallsystemstructureclear,easytocontrol.Keywords:STM32,microwindpendulumcontrollightcouplinggyroscope
一种风力摆控制系统
一种风力摆控制系统
秦玉伟
【摘 要】A wind pendulum controlling system based on MSP430 MCU is
designed. The attitude information is collected by the gyroscope MPU6050.
The rotate speeds of DC motor are then changed by the PID algorithm to
control the motion trail. The experimental result shows that it has the
functions of the selected length line motion,the circular motion and the
quickly braking. It has the advantages of low power consumption,stable
function and accurate swing trajectory.%设计了一种基于MSP430系列单片机的风力摆控制系统,利用陀螺仪MPU6050实时采集摆杆的姿态信息,再通过PID算法处理数据,改变直流电机的转速,控制风力摆的运动轨迹.实验结果表明,风力摆能实现定长直线运动轨迹、圆周运动轨迹及快速制动,具有低功耗、性能稳定、摆动轨迹准确的特点.
【期刊名称】《河南科学》
【年(卷),期】2016(034)011
【总页数】4页(P1889-1892)
【关键词】风力摆;直流电机;陀螺仪;PID算法
【作 者】秦玉伟
【作者单位】渭南师范学院数理学院,陕西渭南 714099;陕西省X射线检测与应用研究开发中心,陕西渭南 714099 【正文语种】中 文
【中图分类】TH741
风力摆控制系统是利用风力实现物体运动状态控制的测控系统，风力摆通过风机转动使空气流动形成风力，实现对风力摆的运动轨迹控制［1-5］.针对风力摆控制系统的关键问题，设计了一种自定义轨迹运动的风力摆控制系统，对风力摆的运动轨迹进行智能化精确控制，能够实现自定义轨迹扫描，如快速启动、定长度的直线运动轨迹、画圆圈、规定角度摆动、快速停止等运动控制功能，并且能够在风力作用下快速恢复原始状态.
电赛论文模板
2015年全国大学生电子设计竞赛
简易旋转倒立摆及控制装置（C题）
【本科组】
2013年9月6日
I
1 目 录
1系统方案 ....................................................................2
1.1电机及驱动方案的论证与选择 ....................................................................................................... 2
1.2传感器采集模块的论证与选择 ....................................................................................................... 2
1.3 控制系统的论证与选择 .................................................................................................................. 2
2系统理论分析与计算 ..........................................................3
2.1 XXXX的分析 ............................................................................................................................... 3
2.1.1 XXX ....................................................................................................................................... 3
2015年全国大学生电子设计竞赛论文E题
第 1 页 80MHz~100MHz 频谱分析仪（ E 题）
福州大学 物理与信息工程学院
杨威 汤鸿 黄锦雄
【本科组】
摘 要
本系统的设计由锁相环、混频电路、频率测量、AD采样几部分组成。设计采用锁相环为本振，NE602为相乘器混频，465K滤波器滤波。输入信号与本振源相乘后，输出的信号经465K滤波器滤出465K的信号，然后将465K信号分别输入第二套锁相环与单片机STM32中，两套锁相环确定输入信号频率，单片机确定输入信号电压，再由LCD屏幕显示出来，实现频谱仪的制作，经测试，多项性能指标均完成设计任务并有所拓展。
关键字：锁相环、频谱分析仪、混频器、滤波
Abstract
This system consists of PLL,mixer circuit,frequency-mearsuring circuit,AD
converter circuit.This system take PLL as the sourse, multiplier NE602 as the mixer,
filter. We multiply the input siganl with the sourse ,send them to the 465k-filter and
finally take them to the second PLL and MCU(STM32). We use the two PLLs to
determine the frequency of the input signal. We display the result using the LCD.
Key words:PLL、spectrum analyzer、mixer、smoothing
第 2 页 1、系统方案设计
1.1 整体方案设计
方案一：FFT法。这种频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器(ADC)对输入信号取样,再经FFT处理后获得频谱分布图。它的频率范围受到ADC采集速率和FFT运算速度的限制。为获得良好的仪器线性度和高分辨率，ADC的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍。FFT运算时间与取样点数成对数关系，频谱分析仪需要高频率、高分辨率和高速运算时，要选用高速的FFT硬件，或者相应的数字信号处理器(DSP)芯片。可见这种方法的优点是硬件电路简单，主要依靠软件运算，可以提高分辨率。其缺点是频率越高，对ADC和DSP芯片的速度要求越高，相应价格也越昂贵。
风力摆控制系统 设计报告
大学生电子设计竞赛
风力摆控制系统
学 院:
计 算 机 学 院
项 目： 风力摆控制系统
负 责 人： 王 贤 朝
指导老师： 张 保 定
时 间： 2017年5月20日
摘 要
本系统采用K60开发板作为控制中心，与万向节、摆杆、直流风机（无刷电机+扇叶）、激光头、反馈装置一起构成摆杆运动状态与风机速度分配的双闭环调速系统。单片机输出可变的PWM波给电机调速器，控制4个方向上风机的风速，从而产生大小不同的力。利用加速度计模块MPU6050，准确测出摆杆移动的位置与中心点位置之间的关系，采样后反馈给单片机，使风机及时矫正，防止脱离运动轨迹。使用指南针模块判别方向，控制系统向指定方向偏移。控制方式采用PID算法，比例环节进行快速响应，积分环节实现无静差，微分环节减小超调，加快动态响应。从而使该系统具有良好的性能，能很好地实现自由摆运动、快速制动静止、画圆、指定方向偏移，具有很好地稳定性。
关键词：K60、空心杯电机、MPU6050、PID、无线蓝牙
目 录
一、系统方案 ................................................................. 1
1.1 系统基本方案 .................................................................................................................... 1
1.1.1 控制方案设计 ......................................................................................................... 1
2015全国大学生电子设计竞赛风板控制资料
摘 要
本系统包括电源部分和单片机部分，由升压模块、稳流模块、单片机操作模块及驱动模块组成。该系统采用把3/3.6V电压升压至12V（采用LM2596电压可调芯片），再由12V控制恒流输出，以此来驱动LED灯。本系统采用STC12C5A60S2单片机作为核心元件，通过高低电平控制绝缘栅场效应管的打开和关断，接通会选择不同的采样电阻从而获得不同的电流值，把测得的电阻值显示在显示屏上。这种通过单片机给定不同的电平来实现操作的方法简单又方便。
关键词：LM2596芯片 STC12C5A60S2芯片 绝缘栅场效应管
Abstract
This system includes a power supply part and the MCU part, by boosting module,
constant current module, MCU operation and display modules. The system uses the 3/3.6V
voltage boost to 12V (using LM2596 voltage adjustable chip), and then by the 12V control
constant current output, in order to drive LED lights. The system uses STC12C5A60S2
microcontroller as the core component, through the high and low level control of the
insulation gate field effect tube open and close, on the choice of different sampling resistor to
风力摆论文报告修订稿
风力摆论文报告
WEIHUA system office room 【WEIHUA 16H-WEIHUA WEIHUA8Q8-
风力摆控制系统（B题）
摘 要
本风力摆控制系统主要包括单片机控制模块，液晶显示模块，直流电机，驱动模块以及姿态检测模块构成闭环系统。其中控制模块采用STM32F103为控制芯片，直流电机为执行机构，电子调速器为电机驱动。MPU6050采集风力摆姿态角，MCU处理姿态角数据后通过PID算法调节直流风机以控制风力摆快速画直线、摆角度，恢复静止的功能，并能按照要求画圆，在受风力影响后能够快速恢复画圆状态。另外本系统采用OLED显示屏实现了友善方便的人机交互界面。
关键词： STM32F103 MPU6050 PID算法 电子调速器
?
1系统论证与比较
系统基本方案
本系统主要由主控制模块、姿态检测模块、液晶显示模块，电机驱动模块和悬挂模块四部分组成，实现了风力摆控制系统。系统框图如图1所示。
图1 风力摆控制系统总体框图
姿态检测方案的论证与选择
主控系统
STM32
电源模块 姿态检测传感按键控制 液晶显示
电机驱动模块
风力摆
方案一：倾角传感器。倾角传感器运用牛顿第二定律，根据定律，当倾角传感器静止的时候，由于物体的侧面还有垂直方向是受到其他力的作用，只有重力的作用，也就是说作用在它身上的就只有重力加速度了，所以由此产生的重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角，可以用来测量相对于水平面的倾角变化量，就是我们所说的倾斜角。但是倾角传感器侧重于静态测量，不适合检测运动物体的角度变化。
方案二：MPU6050。MPU6050六轴传感器集成3轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计，每个轴对应有一个16位AD转换器。正常工作时，陀螺仪和加速度计分别采集X轴，Y轴，Z轴的电压值，然后通过AD转换，转换成数字信号，最后通过I2C总线传送到控制芯片，但此时得到的值不是实际的角度和角速度值，还必须经过一定的比例关系进行转换，才能得到实际的角度和角速度值。该传感器整合了6轴运动处理组件，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的封装空间。在平衡小车，智能型手机，手持型游戏产品，3D遥控器上面应用较为广泛。
风力发电机控制系统毕业设计(论文)word格式
1
风力发电机控制系统
风机控制系统：监控系统、主控系统、变桨控制系统、变频系统。
1、蓬勃发展的风电技术
风力发电正在中国蓬勃发展，即使在金融危机的大形势下，风力发电行业仍然不断的加大投资。在2008年，风力发电仍然保持着30％以上的强劲增长势头，包括Vestas、Gemsa、GE、国内的金风科技、华锐、运达工程等其订单交付已经到2011年后。
国内的风力发电控制技术起步较晚，目前的控制系统均是由欧洲专用控制方案提供商提供的专用系统，价格高昂且交货周期较长。开发自主知识产权的控制系统必须要提上日程，一方面，由于缺乏差异化而使得未来竞争中的透明度过高，而造成陷入激烈的价格竞争，另一方面，寻找合适的平台开发自主的风电控制系统将使得制造商在未来激烈竞争中获得先手。
然而，风电控制系统必须满足风电行业特殊的需求和苛刻的指标要求，这一切都对风力发电的控制系统平台提出了要求，而B&R的控制系统，在软硬件上均提供了适应于风力发电行业需求的设计，在本文我们将介绍因何这些控制器能够满足风力发电的苛刻要求。
2、风力发电对控制系统的需求
2.1高级语言编程能力
由于功率控制涉及到风速变化、最佳叶尖速比的获取、机组输出功率、相位和功率因素，发电机组的转速等诸多因素的影响，因此，它包含了复杂的控制算法设计需求，而这些，对于控制器的高级语言编程能力有较高的要求，而B&R PCC产品提供了高级语言编程能力，不仅仅是这些，还包括了以下一些关键技术：
2.1.1复杂控制算法设计能力
传统的机器控制多为顺序逻辑控制，而随着传感器技术、数字技术和通信技术的发展，复杂控制将越来越多的应用于机器，而机器控制本身即是融合了逻辑、运动、传感器、高速计数、安全、液压等一系列复杂控制的应用，PCC的设计者们很早就注意到这个发展方向而设计了PCC产品来满足这一未来的需求。
为了满足这种需求，PCC设计为基于Automation Runtime的实时操作系统(OS)上，支持高级语言编程，对于风力发电而言，变桨、主控逻辑、功率控制单元等的算法非常复杂，这需要一个强大的控制器来实现对其高效的程序设计，并且，代码安全必须事先考虑，以维护在研发领域的投资安全。 2
2015年全国大学生电子设计竞赛A题论文
2015年全国大学生电子设计竞赛
双向DC-DC变换器（A题）
2015年8月15日
I 摘要
本系统以STM32单片机为主控制器，以非隔离式Buck-Boost型电路为核心，设计并制作用于电池储能装置的双向DC-DC变换器，实现可按键设定亦可自动转换电池充放电模式的功能。系统由STM32内部寄存器及扩展口功能，加上按键模块、集成运放模块、LCD液晶显示模块、双向DC-DC变换电路组成。提高了电源效率，有效的保护了电路，经测试，系统能够实现基础部分所有要求。
关键词：DC-DC变换器；高效率；STM32；电流控制精度
Bbstract
This system is given priority to with STM32 MCU controller, with the
isolation type Buck - Boost circuit as the core, the design and construction of
double DC - DC converter for battery energy storage device, implement key
setting can be automatically switched to the battery charging and discharging
mode function.System of STM32 internal registers and extension mouth function,
and key module, integrated operational amplifier module, LCD liquid crystal
display module, two-way DC - DC conversion circuit.Improve the efficiency of
the power, the effective protection circuit, after the test, the system can realize all
风力摆控制系统电子设计大赛报告
2015年全国大学生电子设计竞赛
风力摆控制系统（B题）
【本科组】
2015年8月14日 I 摘 要
本系统采用STC89C52单片机最小系统作为控制中心，与电机驱动模块，直流风机、万向节、摆杆、反馈装置一起构成摆杆角度和电机角速度的双闭环调速系统。由于直流电机属于一阶惯性，经分析在控制周期远小于电机时间常数的情况下建立电压与加速度的近似比例关系模型。选择直流风机驱动摆杆摆动，采用MPU6050测量摆杆的瞬时角加速度，单片机输出占空比可变的PWM波控制电机角加速度，从而控制电机的加速度和给摆杆固定轴心的扭矩，实现控制摆杆的摆动幅度并最终达到近似自由摆的稳定状态。控制方式采用PID控制，比例环节进行快速响应，积分环节实现无静差，微分环节减小超调，加快动态响应。从而使该系统具有良好的性能，能很好地实现起振、单摆、画线、360度画圆旋转，同时具有很好的抗扰动性能。
关键词：STC89C52 直流风机 加速度 自由摆
1 目 录
1系统方案 ........................................................................................................................................2
1.1 角度传感器模块的论证与选择 ........................................................................................2
1.2 风机驱动模块的论证与选择 ............................................................................................2
1.3 电源模块的论证与选择 ....................................................................................................3