风力摆控制系统设计报告【参考】.doc

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 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