全国大学生电子设计竞赛设计报告B题风力摆控制系统精编版

全国大学生电子设计竞赛设计报告B题风力摆

控制系统

公司内部编号：（GOOD-TMMT-MMUT-UUPTY-UUYY-DTTI-

2015年全国大学生电子设计竞赛风力摆控制系统（B题）

参赛学校：长安大学

队伍编号：XZ015

参赛队员：崔曜东、马若斯、李宝才

指导教师：

2015年8月15日

摘要

本系统为由STM32单片机控制模块、姿态采集模块、风力摆模块、人及交互系统以及风力摆机械结构组成的闭环控制系统。MPU-6050陀螺仪传感器实时采集风力摆的姿态角及角速度，STM32f103单片机通过PID 算法调节轴流电机转速以控制风力摆。风力摆能够实现快速起摆、画线、恢复静止的功能，并能准确画圆。同时系统可以通过键盘设定运行模式和相关角度值，风力摆的角度和运行时间由液晶显示，具有较好人机界面。系统设计结构简单，制作成本低，控制精度高。

关键词：STM32f103、MPU-6050模块、PWM调速

Abstract

This system is composed of STM32 control module, attitude acquisition module, wind force model, human and interactive system, and the closed-loop control system composed of wind force. The attitude and angular velocity of the MPU-6050 gyroscope sensor are acquired in real time, and the speed of the motor is controlled by the PID algorithm, and the speed of the motor is controlled by the STM32f103 algorithm. Wind power can be achieved quickly, draw lines, restore the function of static, and can accurately draw circle. At the same time, the system can set up the operating mode and the relevant angle value, and the angle of the wind force and the running time of the system are displayed by the LCD. The system has the

advantages of simple structure, low cost and high control precision.

Key words: MPU-6050, STM32f103 module, PWM speed control

目录

风力摆控制系统（B题）

【本科组】

一、系统方案

本风力摆控制系统主要包括控制模块、电源模块、姿态采集模块、轴流风机及驱动模块、LCD显示模块、人机交互系统以及风力摆机械结构组成。风力摆由万向节连接碳杆再连接风机组成。位于碳素杆下方的姿态采集模块不断采集风力摆当前姿态角，并返回单片机。单片机控制LCD显示姿态角数据并处理数据后通过控制PWM波占空比控制风机转速，实现对风力摆的控制。本系统结构框图如图1所示。

1、主控制器件的论证与选择

1.1控制器选用

单片机比较

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32位的ARM微控制器

意法半导体（ST）公司出品的STM32f103RCT6，其内核是Cortex-M3，其片内集成了256K程序存储器，2个12位模数转换器（多达16个输入通道）、多达8个定时器等资源。

通过比较，我们选择方案二，采用32位的STM32f103RCT6作为控制器。

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。

2、角度测量模块的论证与选择

方案一：采用MPU-6050模块

MPU-6000（6050）为整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，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。

该芯片内部整合了 3 轴陀螺仪和 3 轴加速度传感器，并可利用自带的数字运动处理器（DMP: Digital Motion Processor）硬件加速引擎，通过主 IIC 接口，向应用端输出姿态解算后的数据。

方案二：采用ADXL345倾角传感器

ADXL345是超低功耗3轴加速度计，分辨率高(13位)，测量范围达±

16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI(3线或4线)或I 2 C 数字接口访问。

综合以上两种方案，选择方案一。

3、风扇驱动模块的论证与选择

方案一：采用L298N驱动模块

L298N 是一种双H桥电机驱动芯片，其中每个H桥可以提供2A的电流，功率部分的供电电压范围是2.5-48v，逻辑部分5v供电，接受5vTTL电平。一般情况下，功率部分的电压应大于6V否则芯片可能不能正常工作。

方案二：自己设计驱动模块

自己设计的大电流驱动模块可以完全符合系统要求，真正做到完美适配。

综合考虑采用方案二

4、电源方案的论证与选择

方案一：使用大功率开关电源接模块和单片机单独直流电源。大功率开关电源接模块给风机供电，单片机单独由直流电源供电。方案简单易可靠，双电源还可保证单片机系统和电机系统的完全隔离，提高系统可靠性。

方案二：采用双电源供电。风机驱动电源和控制电源分开，控制电机部分通过光耦隔离。电机使用12V锂电池供电，此方案可确保系统的稳定性，但由于我们选择了12V 3.2A的大功率轴流风机，锂电池无法提供足够的功率。

综合上述比较，考虑系统的安全性、稳定性以，本系统采用方案一。

二、系统理论分析与计算

1、风力摆状态的测量与计算的分析

（1）姿态采集分析

本系统采用高精度的陀螺加速度计MPU6050不断采集风力摆姿态角数据。MPU6050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。MPU6050和所有设备寄存器之间的通信采用400kHz的I2C接口，实现高速通信。且内置的可编程卡尔曼滤波器，采用最优化自回归数据处理算法精确测量风力摆当前姿态角。MPU6050对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量，通过DMP处理器读取测量数据然后通过串口输出。

（2）控制算法分析

本系统采用PID算法来控制风机转动的速度。风机开始工作后，姿态采集模块不断采集当前风力摆姿态角状态，并与之前的状态比较，使得风力摆的运动状态逐渐趋向于平稳。PID算法控制器由舵机转动角度比例P、角度误差积分I和角度微分D组成。其输入e(t）与输出U(t）的关系为：

它的传递函数为：

风力摆转动角度比例P：对风力摆角速度进行比例调整，即对舵机转动速度调整。比例越大，调节速度越快。但不能过大，过大可能造成四风机因工作状态突变而是摆杆不稳定。角度误差积分I：使系统消除稳态误差,提高无差度。加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。本系统追求更快更稳完成对风力摆的控制，因此，本系统对积分调节的需要就非常弱。即保证在不需要时系统不会受到影响。角度微分D：微分作用反映风力摆角度的变化率，即角速度。具有预见性，能预见偏差变化的趋势因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,减少调节时间。

2、角速度的计算

根据三角函数知识，已知某一轴的角加速度可以求得对应的角速度。

三、电路与程序设计

1、电路的设计

（1）系统总体框图

系统包括STM32f103单片机；轴流风机和电机驱动模块；MPU-6050传感器。由四台成九十度放置的轴流机来控制旋转臂转动从而来使摆杆摆动，在摆杆和风机平台相结合处加MPU-6050传感器.使摆杆一开始能快速得沿一条直线摆动，并且能保持画出长度偏差不大于±2.5cm 的直线段，并且具有较好的重复性。

系统总体框图如图3.1所示

（2）MPU-6050

子系统框图与电路原理图

1、MPU-6050子系统框图

图3.2 MPU-6050子系统框图

2、MPU-6050子系统电路

图3.3 MPU-6050子系统电路

（3）电机驱动模块子系统框图与电路原理图

1、电机驱动模块子系统框图

图

2、电机驱动模块子系统电路

图3.5 电机驱动模块子系统电路

（4）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、程序的设计

（1）程序功能描述与设计思路

1、程序功能描述

根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。 1）键盘实现功能： 2）显示部分： 2、程序设计思路

（2）程序流程图 1、主程序流程图

MPU-6050

STM32f103 轴流风机 LCD 显示模

风力摆机械平

各模块初始按键扫描

按键判

风力摆进入直

四、测试方案与测试结果

1、测试方案

（1）电路功能测试

每块电路板分开进行功能测试，进行逐项功能的测试。

（2）机械结构测试

搭建好机械结构后，利用等重负载进行负载承重和摇摆震动测试。

（3）硬件软件联调

驱动风力摆工作，使激光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。

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，硬件电路保证无虚焊。机械结构通过负载测试和电机振动测试。

测试仪器：数字示波器，数字万用表，卷尺，量角器，方向角度图纸

3、测试结果及分析

（1）测试结果(数据)

（2）测试分析与结论

根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：

1、

2、

3、

综上所述，本设计达到设计要求。

五、结论与心得

本次电子设计竞赛，通过对此系统前期的方案设计、方案的选择、方案论证，中期的机械结构的的搭建，硬件的设计和具体程序的实现和后期系统的测试，最终基本能达到要求，通过这次课程设计小组成员之间的分工和合作，交流配合，各项工作有序的进行，完成这次的设计，我没每个人都有很多的收获，但最大的收获不是这个结果，而是在这个过程中，每个人都学到了很多的新知识，提升了解决问题的能力和如何与他人很好的合作。无论最终测评的结果如何，我们都该为此次比赛感到高兴和满足。

六、参考文献

[1]童诗白,华程英.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京:高等教育出版社,2009.

[2]阎石. 数字电子技术基础（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2009.

[3]黄智伟,王彦,陈文光等.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京:电子工业出版社,2007.

[4]高吉祥,唐朝京.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程（电子仪器仪表设计）[M].北京:电子工业出版社,2007.

[5]张友德、赵志英、涂时亮.单片微型机原理、应用与实践（第五版）[M].上海：复旦大学出版社，2009.

[6]郭天祥.新概念51单片机C语言教程.入门、提高、开发[M].北京：电子工业出版社，2009.

[7]梁明理.电子线路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2008.

[8]谭浩强.C语言程序设计[M].北京:清华大学出版社,2012

附录1：电路原理图

附图 1.1 MCU 部分原理图

附图 1.2 MPU-6050 模块原理图

附图 1.3 驱动模块原理图

附录2：源程序

#include "sys.h"

#include "usart.h"

#include "delay.h"

#include "led.h"

#include "lcd.h"

#include "key.h"

#include "mpu6050.h"

#include "usmart.h"

#include "inv_mpu.h"

#include "inv_mpu_dmp_motion_driver.h"

#include

static float Error=0; // Error static float LastError=0; // Error[-1] static float PrevError=0; // Error[-2] static float d_Error=0,dd_Error=0;

int Kp = 10;

int Ki = 0;

int Kd = 0;

u8 t=0,report=1; //èa鱨

u8 key;

double stand_len=1.055,l1=0.75;// μ￥?×

float pitch,roll,yaw; //·à-

short aacx,aacy,aacz; //óùè′D÷-êêyY

short gyrox,gyroy,gyroz; //íóYò-êêyY

short temp; //è

float first_yaw=0;

float current_yaw=0;

float x=0.15;

//′ú1·￠í1×·

//c:òa·￠íμ×·

void usart1_send_char(u8 c)

{

while((USART1->SR&0X40)==0);//μè′yéò′·￠ííê±

USART1->DR=c;

}

//′íêyYáéúèít(V2.6°±)

//fun:1|ü×. 0XA0~0XAF

//data:êyYo′,×à28×ú!!

//len:dataóDD§êyYêy

void usart1_niming_report(u8 fun,u8*data,u8 len)

{

u8 send_buf[32];

u8 i;

if(len>28)return; //×à28×úêyY

send_buf[len+3]=0; //D￡éêyá

send_buf[0]=0X88; //í·

send_buf[1]=fun; //1|ü×

send_buf[2]=len; //êyY3¤è

for(i=0;i

for(i=0;i

}

//·￠íóùè′D÷êyYoííóYòêyY

//aacx,aacy,aacz:x,y,zèy·òéμóùèμ

//gyrox,gyroy,gyroz:x,y,zèy·òéμíóYòμ

void mpu6050_send_data(short aacx,short aacy,short aacz,short gyrox,short gyroy,short gyroz)

{

u8 tbuf[12];

tbuf[0]=(aacx>>8)&0XFF;

tbuf[1]=aacx&0XFF;

tbuf[2]=(aacy>>8)&0XFF;

tbuf[3]=aacy&0XFF;

tbuf[4]=(aacz>>8)&0XFF;

tbuf[5]=aacz&0XFF;

tbuf[6]=(gyrox>>8)&0XFF;

tbuf[7]=gyrox&0XFF;

tbuf[8]=(gyroy>>8)&0XFF;

tbuf[9]=gyroy&0XFF;

tbuf[10]=(gyroz>>8)&0XFF;

tbuf[11]=gyroz&0XFF;

usart1_niming_report(0XA1,tbuf,12);//רò,0XA1

}

//í¨1y′ú1鱨áoóμ×ìêyYμ

//aacx,aacy,aacz:x,y,zèy·òéμóùèμ

//gyrox,gyroy,gyroz:x,y,zèy·òéμíóYòμ

//roll:oá1.μ￥0.01è￡ -18000 -> 18000 ó| -180.00 -> 180.00è//pit ch:.μ￥0.01è￡-9000 - 9000 ó| -90.00 -> 90.00 è

//yaw:oò.μ￥a0.1è 0 -> 3600 ó| 0 -> 360.0è

void usart1_report_imu(short aacx,short aacy,short aacz,short gyrox,short gyroy,short gyroz,short roll,short pitch,short yaw)