風力擺控制系統(tǒng)(附有程序)

1、全國大學生電子設(shè)計競賽風力擺控制系統(tǒng)32015年8月15日摘要本系統(tǒng)是以STM32ZET6為控制核心的風力擺控制系統(tǒng)。通過 MPU6050三軸角速度感測器檢測擺桿的擺動角度，并在12864液晶屏進行 實時的顯示，同時將檢測到的角度信息傳輸給32單片機。32單片機將此信 號進行PID算法處理后產(chǎn)生相應的pwm信號，控制軸流風機進行不同的動 作反應，帶動細桿旋轉(zhuǎn)，以此實現(xiàn)不同的控制要求。通過按鍵選擇電機的 工作模式，實現(xiàn)設(shè)計的各項要求。關(guān)鍵詞：STM32 MPU6050 12864軸流風機PID算法目錄、方案論證.1、風機模塊的論證與選擇12、電機驅(qū)動模塊的論證與選擇13、三軸角速度感測器模塊論證

2、與選擇14、顯示模塊的論證與選擇25、控制系統(tǒng)的論證與選擇26、風力擺運動控制方案論證 2.2t 工告巫AA /k JL 2(1)控制算法 22、風力擺狀態(tài)的測量 33、風力擺運動控制的計算3三、系統(tǒng) 設(shè)計.31、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3(1)系統(tǒng)總體框圖 3(2)軸流風機子系統(tǒng)框圖. 4(3)陀螺儀與顯示子系統(tǒng)框圖 42、電路設(shè)計 4(1)電路流程圖 4四、系統(tǒng)測試.51、測試方案 52、測試條件與儀器 53、測試數(shù)據(jù)及分析 5(1)測試數(shù)據(jù) 5(2)測試分析與結(jié)論 6五、結(jié)論與心得7六、參考文獻7風力擺控制系統(tǒng)（B題）【本科組】一、系統(tǒng)方案本系統(tǒng)以STM32ZET6單片機作為主控芯片，主要由風機模塊、

3、電機驅(qū)動 模塊、三軸角速度感測器模塊、顯示模塊、電源模塊組成，使用C語言編寫 程序，完成題目的要求。通過三軸角速度感測器檢測并讀出擺桿的擺動角 度，從而控制軸流風機的運動狀 態(tài)，驅(qū)動電機帶動擺桿，并通過按鍵選擇電 機的工作模式，使激光畫出各項要求的圖形。下面分別論證這幾個模塊的選 擇。1、風機模塊的論證與選擇方案一：采用兩只直流風機作為動力。兩只風機分別位于擺桿兩側(cè)并 排同向而立，通過控制風機轉(zhuǎn)速控制風力擺使激光筆畫線畫圈，此方案風力 擺負載輕，但不易微調(diào)和快速靜止。方案二：采用4只軸流風機作為動力。4只軸流風機采用內(nèi)轉(zhuǎn)子電機 直聯(lián)傳動，安 裝方便牢固、質(zhì)量輕、振動小、噪聲低、運行平穩(wěn)，不扭轉(zhuǎn)

4、風 管內(nèi)介質(zhì)的流向，安裝方便。此方案風力擺負載最重，但對于控制風力擺狀 態(tài)最為精確，且動力最足。本設(shè)計需要風速快、質(zhì)量輕、控制精準的方案，所以選擇了方案二。2、電機驅(qū)動模塊的論證與選擇方案一：采用THB7128電機驅(qū)動芯片。THB7128芯片內(nèi)部集成了細分、 電流調(diào)節(jié)、CMOS功率放大等電路，配合簡單的外圍電路即可實現(xiàn)高性能、多 細分、大電流的驅(qū)動電路。但THB7218這些性能優(yōu)勢使其更加適合驅(qū)動步進 電機，不適合本系統(tǒng)直流伺服電機的驅(qū)動。方案二：使用L298N電流電機驅(qū)動模塊。L298N電機驅(qū)動芯片工作電壓 高，輸出瞬間峰值電流可達3A ,持續(xù)工作電流2A,額定工作頻率25Wo內(nèi) 含兩個H橋

5、的高電壓電流全橋式驅(qū)動器可以很好的控制本系統(tǒng)中的直流伺服 電機，采用標準邏輯電平信號控制，控制直流電機更加簡單容易。根據(jù)實用性，本設(shè)計采用方案二。3、三軸角速度感測器模塊的論證與選擇方案一：選用雙軸傾角傳感器模塊LE-60-0EMLE-60-0E, M測量重力加速 度變化，轉(zhuǎn)為傾角變化，可測量雙向。具有穩(wěn)定性高、低功耗、結(jié)構(gòu)簡單等 優(yōu)點。響應速度為5Hz。它可以測量平衡板與水平方向的夾角，x,y方向 可以測，但z軸不可測。且操作復雜，軟件處理難度大。方案二：采用三軸角速度傳感器模塊。用三維角度傳感器時刻測量風力 擺當前姿態(tài)，可準確追蹤快速與慢速動作，通過處理采集的姿態(tài)角數(shù)據(jù)控制 風機帶動風力擺

6、運動。此方案可精確測量風力擺當前姿態(tài)，實現(xiàn)對風力擺的 精確控制。免除了組合陀螺儀與加 速器時之軸間差的問題。綜合考慮，基于操作簡便，性價比以及穩(wěn)定性，本設(shè)計采用方案二。4、顯示模塊的論證與選擇方案一：使用1602液晶模塊。性價比高，接口簡單，但1602只能顯示 字母，數(shù)字和符號，能顯示16*2個字符。但只有兩行，顯示字數(shù)少。方案二：使用12864液晶模塊。12864屏幕為64行，每行可以顯示 128個字符，能夠形象直觀的提示信息，且比1602強大。綜合顯示信息量，反應速度，以及性價比，本設(shè)計采用方案二。5、控制系統(tǒng)的論證與選擇方案一：采用ATMEL公司的ATM89c51單片機系統(tǒng)。它是一種帶4

7、K字節(jié) 閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS位8微處理器，具有 體積小、集成度高、結(jié)構(gòu)簡單、等特點，但其外圍接口少，功能和速度較32 單片機弱。方案二：采用STM公司的32F103ZET6單片機系統(tǒng)，其擁有專為要求高性 能、低成 本、低功耗的嵌入式應用專門設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核。 STM32F103ZET單6片機是片內(nèi)雙RC晶振，提供8M和32K的頻率并擁有42 個16位的后備寄存器32位微控制器。時鐘頻率達到72MHz,是同類產(chǎn)品中 性能最高的產(chǎn)品。綜合實用性、可靠性、性能，等方面，在控制模塊方面我們選擇方案* O6、控制系統(tǒng)的論證與選擇其原理是將角度的變化量變?yōu)?/p>

8、阻值的變化量，根據(jù)阻值的大小判斷角度 的大小。當線路連接好以后，通電，每經(jīng)過10ms, MPU6050就會刷新一次 值，往X軸正向轉(zhuǎn)動時，計數(shù)增加，轉(zhuǎn)動方向改變時，計數(shù)減?。╕軸原 理相同）。:、系統(tǒng)理論分析與計算上 八-LL(1)控制算法本系統(tǒng)采用PID算法來控制風機轉(zhuǎn)動的速度。風機工作后，MPU6050模 塊不斷采集當前風力擺姿態(tài)角狀態(tài)，并與之前的狀態(tài)比較，使得風力擺的運 動狀態(tài)逐漸趨向于平 穩(wěn)。PID算法控制器由舵機轉(zhuǎn)動角度比例P、角度誤差 積分I和角度微分D組成。2、風力擺狀態(tài)的測量采用的陀螺加速度計MPU6050不斷采集風力擺角度數(shù)據(jù)。MPU6050集成 了 3軸MEMS陀螺儀，3軸

9、MEMS加速度計，以及一個可擴展的數(shù)字運動處 理器DMPo MPU6050和所有設(shè)備寄存器之間的通信采用400kHz的12c接 口，實現(xiàn)高速通信。且內(nèi)置的可編程卡爾 曼濾波器，采用最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù) 處理算法精確測量風力擺當前姿態(tài)角。MPU6050對陀螺儀和加速度計分別用了三個16位的ADC,將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出 的數(shù)字量，通過DMP處理器讀取測量數(shù)據(jù)然后通過串口輸出。3、風力擺運動控制的計算其原理是將角度的變化量變?yōu)樽柚档淖兓浚?根據(jù)阻值的大小判斷角度的大小。當線路連接好以后，通電，每經(jīng)過10ms, MPU6050就會刷新一次值，往X軸正向轉(zhuǎn)動時，計數(shù)增加，轉(zhuǎn)動方向改變 時，計數(shù)減小

10、(Y軸原理相同)。風力擺采用4只45W的直流風機為動力驅(qū) 動系統(tǒng)。MPU6050采集模塊采集風力擺當前角度，32單片機處理姿態(tài)角信 息調(diào)節(jié)輸出PWM的占空比，控制四只軸流風機的工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)對風力 擺的不同控制。三、系統(tǒng)設(shè)計1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(1)系統(tǒng)總體框圖本系統(tǒng)以STM32F103ZET6為單片機控制器，通過三軸角速度感測器檢測 擺桿的擺動角度，在12864液晶屏上進行實時的顯示，并把檢測到的角度信 息傳輸給單片機生成 相應的pwm信號，控制4個軸流風機進行不同的動作 反應，帶動細管轉(zhuǎn)動，以此實現(xiàn) 不同的控制要求。通過按鍵選擇電機的工作5模式，實現(xiàn)設(shè)計的各項要求。系統(tǒng)的總體框圖1統(tǒng)總體框圖2

11、)軸流風機子系統(tǒng)框圖1、軸流風機子系統(tǒng)框圖直流伺服電機控制子系統(tǒng)主要包括電機驅(qū)動模 塊、軸流風機、STM32單片機。通過按鍵可以選擇直流電機的工作模式。直流伺服電機控制子系統(tǒng)框圖如下圖所示：軸流風機電機驅(qū)動模塊口STM32F103ZET6 按鍵輸入軸流風機子系(3)陀螺儀與顯示子系統(tǒng)框圖1、陀螺儀與顯示子系統(tǒng)框圖控制模塊STM32F103ZET6MPU6050陀螺儀12864液晶圖2陀螺儀與顯示子系統(tǒng)框圖2、電路設(shè)計1)電路流程圖主程序流程圖 開始系統(tǒng)菜單鍵按下發(fā)揮部分發(fā)揮部分一發(fā)揮部分一基本要求四基本要求二基本要求二一基本要求一四、系統(tǒng)測試1、測試方案 驅(qū)動風力擺工作，使激光筆穩(wěn)定地在地面畫

12、 出一條長度不短于50cm的直線段，來 回五次，記錄其由靜止至開始自由擺 時間及最大偏差距離。2、測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同,并且檢查 無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：（1）秒表（2）量角器（3）自制方向角度圖紙3、測試數(shù)據(jù)及分析1）要求1測試數(shù)據(jù)表1風力擺畫長于50cm直線測試時間（S）偏差1偏差2偏差3第一次數(shù)據(jù)13.22. 7 cm2. 4 cm2. 8 cm第二次數(shù)據(jù)12. 52. 3 cm2. 0 cm1. 9 cm第三次數(shù)據(jù)11. 71. 8 cm1. 9 cm1. 6 cm2）要求2測試數(shù)據(jù)表2風力擺畫不同長度直線測試時間（s

13、）偏差1偏差2偏差330cm直線13. 52. 32. 02. 140cm直線12.81.92. 01.850cm直線13. 71. 51. 61.260cm直線11.91. 81. 21.03）要求3測試數(shù)據(jù)表3風力擺畫不同角度直線測試時間（s）偏差1偏差2偏差39畫0度直線11.22. 21.81. 9畫90度直13.52. 32.62.4畫180度直13.32.62. 52. 1畫270度直12.41.92.02. 3畫360度直11.81.81.92.44）要求4測試數(shù)據(jù)表4風力擺恢復靜止測試時間（1）時間（2）時間（3）拉起30度4. 54. 34. 1拉起35度5. 04.24.

14、1拉起40度4.24. 54.6拉起45度4. 14.03.81）發(fā)揮部分1測試數(shù)據(jù)時間1偏差1時間2偏差2時間3偏差3半徑15cm28. 62. 123.91.920. 52. 1半徑20cm25. 31.625.82.022. 32.2半徑25cm26. 32.227.41.924.82. 5半徑30cm23.42. 124.61. 520.01.9半徑35cm26.41.826.41.918. 51. 5（2）測試分析與結(jié)論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結(jié)論：1、本系統(tǒng)可以在15秒內(nèi)畫出不小于50cm的直線段，且最大誤差符合 要求；2、本系統(tǒng)可在15秒內(nèi)畫出30到60厘米間的直線段，

15、且誤差在不大于2. 5cm范圍內(nèi)；3、本系統(tǒng)能在擺桿被拉起設(shè)定方向和角度后在規(guī)定時間內(nèi)擺動畫出不少于20cm的直線；4、本系統(tǒng)能夠畫出規(guī)定半徑的圓周，且能在被臺扇干擾后恢復圓周運 動；5、本系統(tǒng)能夠在拉起一定角度后，5秒內(nèi)恢復靜止。綜上所述，本設(shè) 計基本達到設(shè)計要求，且誤差在允許范圍內(nèi)。五、結(jié)論與心得通過這幾天的搭建硬件和不斷調(diào)試，我們的風力擺系統(tǒng)基本能實現(xiàn)大賽 所需要求，運用32單片機作為主控芯片，用L298N作為電機驅(qū)動，12864 作為顯示模塊，并用MPU6050測量角度，剛開始的手忙腳亂到最后的熟能生 巧，團隊之間的配合更加默契。六、參考文獻1譚浩強.C語言程序設(shè)計M.北京:清華大學出

16、版社，20122童詩白，華程英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）M.北京:高等教育 出版社,2009.3閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）M.北京:高等教育出版社,2009.4黃智偉，王彥，陳文光等.全國大學生電子設(shè)計競賽訓練教程 M. 北京：電子工業(yè)出 版社,2007.5高吉祥，唐朝京.全國大學生電子設(shè)計競賽培訓系列教程（電子儀器 儀表設(shè)計）M.北京：電子工業(yè)出版社,2007./*預處理命令*/#include <reg52. h> / 包含單片機寄存器的頭文件 #include <string. h>#include <stdio. h> Sinclude &l

17、t;dianji.h>Sinclude "LCD.h Sinclude "anjian. hSinclude "fangxiang. h sbit four = P0"2; sbit one = P(T0; sbit two = P0 1; sbit san = P(T4; /sbit reset = P0 3; sbit fahuil=P05;unsigned char Re_buf11, counter; unsigned char ucStra6,ucStrw6, ucStrAngle6;int SetPoint_x; / 設(shè)定目標 Desi

18、red V alue double Proportion_x; / 比例常數(shù) Proportional Const double Integral_x; / 積分常數(shù) Integral Const double Derivative_x; / 微分常數(shù) Derivative Const int LastError_x; /Error-1 int PrevError_x; /Error-2 int SumError_x; int SetPoint_y; / 設(shè)定目標 Desired V alue double Proportion_y; / 比例常數(shù) Proportional Constdoub

19、le Integral_y; / 積分常數(shù) Integral Const double Derivative_y; / 微分常數(shù) Derivative Const int LastError_y; /Error-1 int PrevError_y; /Error-2 int SumError_y;int Value3;int x, y;/sbit yuyin = P3 6;void jiaoduO/ int Value3;/ int x, y; Value0 = (short) (ucStrAnglel<<8 ucStrAngle0)/ 32768. 0)*180;Valuel =

20、 (short) (ucStrAngle3«81 ucStrAngle2)/32768.0*180;Value2 = (short) (ucStrAngle5«8 | ucStrAngle4)/ if (x>0) (x=0)send(0, 0x90) ; send(l,'x'); send(l,' '); send(0, 0x91);send(l, x/10000+0x30); send(l,x%10000/1000+0x30);send(0,0x92); send(l, x%10000%1000/100+0x30);send(l,&#

21、39;,)；/ / / / / / / / / / / / / / / / /send(0,0x93); send(l, x%10000%1000%100/10+0x30);send(l,x%10000%1000%100%10+0x30);if (x<0) x=-x; send(0, 0x90) ; send(l,'x'); send(l, send(0,0x91); send(l,x/10000+0x30); send(l,x%10000/1000+0x30); send(0,0x92); send(l,x%10000%1000/100+0x30); send(l,&#

22、39;,')；send(0, 0x93);send(l, x%10000%1000%100/10+0x30);send(l, x%10000%1000%100%10+0x30);if(y>0) (y=0)send(0, 0x80) ; send(l,'y'); send(l,，');send(0,0x81); send(l, y/10000+0x30);send(l,y%10000/1000+0x30);send(0,0x82);send(l, y%10000%1000/100+0x30);send(l,'.)；send(0, 0x83);send

23、(l, y%10000%1000%100/10+0x30);send(l,y%10000%1000%100%10+0x30);)if(y<0)y=-y; send(0, 0x80) ; send(l,'y');send(l,'； send(0, 0x81);send(l, y/10000+0x30);send(l, y%10000/1000+0x30);send(0, 0x82);send(l, y%10000%1000/100+0x30);send(l,'.)；send(0, 0x83);send(l, y%10000%1000%100/10+0x30)

24、;voidxyzhi () send(l, y%10000%1000%100%10+0x30);32768. 0)*180 .32768.0*180;Value0 = (short) (ucStrAnglel<<81 ucStrAngle0)/Valuel = (short) (ucStrAngle3«8魏玲醐)/y=Valuel/ *軸PID/14*QcPIDInit (float angle,_x, double P._DA 儀 4瑟 le I_DATA_X, doubleD_DATA_X)(LastError_x = 0; /Error-1JPrevError_x

25、= 0; /Error-2 SumError_x=0;Proportion_x =P_DATA_X; / 比例常數(shù) Proportional Const Integral_x =I_DATA_X; / 積分常數(shù) Integral Const Derivative_x =D_DATA_X; / 微分 常數(shù) Derivative Const SetPoint_x =angle_x; / 目標是 0int XIncPIDCalc (int NextPoint)/ 位置 PIDfloat ierr,derr;int iout;ierr=NextPoint-SetPoint_x;SumError_x+=

26、 i err;derr= i err-LastError_x;LastError_x=ierr;iout=(int)(Proportion_x*ierr+Integral_x*SumError_x +Derivative_x*derr );return (iout);/ /*Y 軸 PID*void Y_IncPIDInit(float angle_y, double P_DATA_Y, double I_DATA_Y,double D_DATA_Y)(LastError_y = 0; /Error-1JPrevError_y = 0; /Error-2 SumError_y=0;Propor

27、tion_y =P_DATA_Y; / 比例常數(shù) Proportional ConstIntegral_y =I_DATA_Y; 積分常數(shù) Integral ConstDerivative_y =D_DATA_Y; 微分常數(shù) Derivative ConstSetPoint_y =angle_y; / 目標是 0 int YIncPIDCalc(int NextPoint)/ 位置PID float ierr,derr;int iout;ierr=NextPoint-SetPoint_y;SumError_y+= i err;derr= i err-LastError_y;LastError_

28、y=ierr;iout=(int) (Proportion_y*ierr+Integral_y*SumError_y +Derivative_y*derr ); if (ierr<5 && ierr > -5) iout = iout*2;return (iout);void main(void) (/ int Value3;int b, a;unsigned char i=0;X_IncPIDInit (-0. 6, 80, 0, 40);Y_IncPIDInit (-0. 5, 80, 0, 40) ; / lcd_init();TM0D=0x20; /用定時器

29、設(shè)置串口波特率9600THl=0xfd;TLl=0xfd;TRIE;TI=1;REN=1;/串口初始化SM0=0;SM1=1;EA=1; /開啟總中斷ES=1;/ send(0,0x93);/ send(l,' C');/ yuyin = 0;/ delay (5000);/ yuyin = 1; while(1)(/第四步if (four = 0)1delay (10);if (four = 0)while(1)lxyzhi ();a= XIncPIDCalc (x); b=YIncPIDCalc (y); if(a > 0) ltiaojiel (a); tiaoji

30、e3(0); else (tiaojiel(0) ; tiaojie3(-a); 1 if(b>0)(tiaojie2(b) ; tiaojie4(0);else (tiaojie2(0); tiaojie4(b); 1if (reset = 0)tiaojiel (0); tiaojie2 (0); tiaojie3(0); tiaojie4(0); break;/fahuilif(fahuil 二二 0) (delay (10);if (fahuil= 0) (while(1) (tiaojie2(1000); tiaojie4(0); delay(200); tiaojie2(0)

31、; tiaojie4(1000); delay(200); if (reset = 0) delay(10); if (reset = 0) :tiaojie2(0);tiaojie4(0); break; n/第一步if (one =二 0)delay(10); if (one = 0)while(1)ltiaojie2(1000); tiaojie4(0); delay(250); tiaojie2(0); tiaojie4(1000);delay (250); if (reset = 0) (delay (10); if (reset = 0) 1tiaojie2 (0);tiaojie4(0);break