電子設(shè)計大賽風(fēng)力擺控制系統(tǒng)論文[B]

1、2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽風(fēng)力擺控制系統(tǒng)（B題）參賽隊號：20152015年8月15日風(fēng)力擺控制系統(tǒng)（B題）【本科組】摘 要 針對題目各項要求，采用軟硬件結(jié)合方法設(shè)計風(fēng)力擺控制系統(tǒng)。以STM32單片機為主控制芯片、MPU6050傳感器檢測擺桿姿態(tài)角、利用PID算法調(diào)節(jié)電機驅(qū)動芯片輸出合適的PWM波形驅(qū)動風(fēng)機，通過OLED顯示屏顯示相關(guān)參數(shù)，按鍵輸入數(shù)據(jù)等；機械結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求，風(fēng)力擺能夠?qū)崿F(xiàn)畫直線、任意角度懸停、畫圓等動作，在受外界干擾后能夠自動恢復(fù)預(yù)定姿態(tài)。具有良好的人機交互界面，各參數(shù)可動態(tài)調(diào)整，基本實現(xiàn)風(fēng)力擺系統(tǒng)的自動控制。關(guān)鍵詞：風(fēng)力擺、單片機、姿態(tài)角、PID算法目 錄一、 系統(tǒng)

2、方案11、系統(tǒng)控制方案的論證與選擇12、控制芯片的論證與選擇13、電源方案的論證與選擇24、控制算法的選擇2二、系統(tǒng)理論分析與計算31、PID算法的分析32、風(fēng)力擺的角度、加速度計算43、電機轉(zhuǎn)速與風(fēng)力擺控制分析4三、電路與程序設(shè)計41、電路的設(shè)計4（1）系統(tǒng)總體框圖4（2）電機驅(qū)動電路圖5（3）電源52、程序的設(shè)計5（1）程序功能描述與設(shè)計思路5（2）程序流程圖6四、測試方案與測試結(jié)果61、測試方案6（1）硬件測試6（2） 硬件軟件聯(lián)和調(diào)試62、測試條件與儀器73、測試結(jié)果及分析7（1）畫直固定直線測試7 (2) 畫不同長度直線測試,如表2所示。7（3）畫圓測試7（4）測試分析與結(jié)論8五、結(jié)

3、論與心得8六、參考文獻8附錄1：電路原理圖9附錄2：源程序10I一、 系統(tǒng)方案 本系統(tǒng)主要有STM32F103最小系統(tǒng)、電機驅(qū)動模塊、陀螺儀加速度計傳感器MPU6050、軸流風(fēng)機、顯示屏、機械結(jié)構(gòu)、電源模塊構(gòu)成。通過傳感器實時的檢測角度，通過PID算法根據(jù)角度是單片機輸出合適的PWM波形，驅(qū)動電機驅(qū)動芯片帶動軸流風(fēng)機實現(xiàn)軸流風(fēng)機轉(zhuǎn)速的變化；軸流風(fēng)機的注定在擺動軸的底部，有多個風(fēng)機實現(xiàn)、風(fēng)力擺的畫直線、任意角度控制、圍繞中心軸畫圓等，在OLED顯示屏屏上實現(xiàn)數(shù)據(jù)參數(shù)的實時顯示，參數(shù)的實時調(diào)整。如圖1-1所示。下面分別論證這幾個模塊的選擇。圖1-1 系統(tǒng)方案1、系統(tǒng)控制方案的論證與選擇方案一：使用

4、兩個軸流風(fēng)機，簡單的兩個的軸流風(fēng)機實現(xiàn)畫直線、畫圓，兩個直流風(fēng)機的安裝要保證能夠畫圓、所以直流風(fēng)機的安裝不能是同一個軸的方向，要保證有一定的角度，兩個風(fēng)機的轉(zhuǎn)速一個保證偏離固定的角度、另一個保證偏離固定的橫滾角度，這種方案得優(yōu)點是使用的風(fēng)機個數(shù)較少，同時底部風(fēng)機的質(zhì)量不太大，只要保證風(fēng)機的驅(qū)動能力，就能夠?qū)崿F(xiàn)基本的要求；但是這種方式對控制算法的要求較高，算法較為復(fù)雜，同時也不能保證較好的穩(wěn)定性，對于要求較復(fù)雜的控制，不一定能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的控制。方案二：使用三個直流風(fēng)機，三個直流風(fēng)機實現(xiàn)激光筆的畫直線、畫圓，三個風(fēng)機軸向夾角互為120度，在畫直線時兩個軸流風(fēng)機同時工作，提供足夠的風(fēng)力；在畫圓時，開

5、啟第三個風(fēng)機工作，實現(xiàn)自動畫圓。這種方案控制方式同樣的較為復(fù)雜，使用了三個風(fēng)機使得系統(tǒng)的質(zhì)量加重。但是比較兩個風(fēng)機，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較高。綜合以上兩種方案，選擇方案二。2、控制芯片的論證與選擇 方案一：控制芯片在滿足系統(tǒng)要求的前提下保證處理效率和高的可靠性、功耗等。使用51系列單片機作為控制芯片，有著較高的可靠性，能夠保證驅(qū)動大功率電機時單片機不易損壞，但是51單片機處理的速度較慢，內(nèi)部可用的資源太少，需要很多的程序來模擬相應(yīng)的控制資源，比較麻煩。 方案二：使用STM32F103作為控制芯片，STM32F103單片機屬于Cortex-M3系列的MCU，內(nèi)部的資源較為的豐富，有多個定時器、AD模塊等

6、，完全滿足系統(tǒng)的要求。同時STM32的可靠性較高，外部晶振經(jīng)分頻可達72MHZ，有著較高的數(shù)據(jù)處理能力，同時芯片的功耗較低，完全滿足系統(tǒng)對實時性，可靠性、處理速率的要求。綜合以上兩種方案，選擇方案二。3、電源方案的論證與選擇 方案一：電源的穩(wěn)定是保證整個系統(tǒng)正常工作的前提，系統(tǒng)的電源包括控制電路的電源,有5V和3.3V，12V。選用大功率航模鋰電池作為系統(tǒng)的整體電源，12V經(jīng)過穩(wěn)壓芯片的穩(wěn)壓直接輸出符合要求的電源。將鋰電池的電源端口直接接在電機驅(qū)動的功耗電壓輸入端，供給電機。這種方式電源設(shè)計簡單，體積小，易于實現(xiàn)；但是這種方式電源直接接在電機上，一旦電源的電壓有所下降電機的轉(zhuǎn)速會在統(tǒng)一參數(shù)下發(fā)

7、生莫名其妙的變化，會對參數(shù)產(chǎn)生重大的影響 ，不能方便的調(diào)試參數(shù)。 方案二：采用變壓、整流濾波、穩(wěn)壓的方式，輸出相應(yīng)的電壓。220V交流市電經(jīng)過變壓器得到合適的電壓，經(jīng)過整流橋整流成直流電，然后經(jīng)過RC濾波電路輸出較穩(wěn)定的電壓，然后通過穩(wěn)壓芯片7805、1117輸出穩(wěn)定的5V、3.3V電源供給控制電路使用。電機通過大功率開關(guān)電源供給12V電源，這樣能夠保證電機的工作電壓穩(wěn)定，同時保證了電機對大功率的要求，而且將控制電路的電源和電機的電源分開，保證電源之間不會干擾，保證控制電路不會因電機的大電流工作而燒壞。綜合考慮采用方案二。4、控制算法的選擇 方案一：模糊控制算法, 模糊控制是一種非線性控制，屬

8、于智能控制的領(lǐng)域。模糊控制有許多良好的特性,它不需要事先知道對象的數(shù)學(xué)模型,具有系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)小、過渡過程時間短等優(yōu)點，但編程復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理量大。模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，出發(fā)點是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關(guān)專家的知識，在設(shè)計中不需要建立被控對象的精確的數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解，設(shè)計簡單，便于應(yīng)用。方案二：采用PID算法，原理簡單，使用方便；適應(yīng)性強；魯棒性強，其控制品質(zhì)對被控對象的變化不太敏感，非常適用于環(huán)境惡劣的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場；PID算法有一套完整的參數(shù)整定與設(shè)計方法，易于被工程技術(shù)人員掌握；許多工業(yè)回路中對控制快速性和控制精度要求不是很

9、高，而更重視系統(tǒng)的可靠性時，使用PID控制能獲得較高的性價比；長期應(yīng)用過程中，對PID算法缺陷可以進行改良。優(yōu)點是控制精度高,且算法簡單明了。對于本系統(tǒng)的控制已足夠精確，節(jié)約了單片機的資源,同時減少了運算時間。綜合比較以上兩個方案，本系統(tǒng)選擇方案二。二、系統(tǒng)理論分析與計算1、PID算法的分析 PID控制是將偏差的比例（Proportional）、積分（Integral）和微分（Differential）三者通過線性組合構(gòu)成控制量。 比例調(diào)節(jié)規(guī)律依據(jù)“偏差的大小”來動作，它的輸出變化量與輸人偏差成比例，調(diào)節(jié)平穩(wěn)，作用及時，能有效地克服各種干擾，是最基本的調(diào)節(jié)規(guī)律，它的缺點是不能消除余差，因此只能

10、用于那些對被調(diào)參數(shù)精度要求不高的場合。常用比例度kp表示比例調(diào)節(jié)作用的強弱。kp越小，表示比例增益越大，比例調(diào)節(jié)作用越強。同時，kp越小，被調(diào)參數(shù)余差也越小，但調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。常規(guī)的PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-1所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。圖2-1 PID模型PID控制器是一種線性控制器，其控制算法的模擬表達式是：如圖2-2所示。圖2-2 PID公式 在本PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，比例調(diào)節(jié)風(fēng)力擺的轉(zhuǎn)速大小，時轉(zhuǎn)速合適的根據(jù)角度來輸出，能夠使風(fēng)力擺較好較好較快的保持在某一個固定的角度，它具有反應(yīng)快、無滯后的特點，能及時克服擾動干擾，使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值附近。但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)

11、誤差，當(dāng)KP過大時會應(yīng)引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分控制的作用是，只要系統(tǒng)存在偏差，積分控制作用就不斷地積累，輸出控制量以消除偏差，因此，只要有足夠的時間，積分作用將能完全消除誤差，但積分調(diào)節(jié)動作緩慢，其調(diào)節(jié)作用總是滯后于偏差信號的變化。而且，當(dāng)積分作用太強時，會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩。微分控制可以減小超調(diào)量，使系統(tǒng)穩(wěn)定性提高。它能反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號變得不很大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效超前修正信號，提高風(fēng)力擺系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。 2、風(fēng)力擺的角度、加速度計算 風(fēng)力擺的角度有傳感器MPU60 50得到，使用到了MPU6050的IIC協(xié)議，有單

12、片機的I/O口模擬相關(guān)的時序，獨處相對應(yīng)的角度，和加速度，分別得到俯仰角、橫滾角和、偏航角；傳感器的安裝位置保持偏航角的垂直線和風(fēng)力擺的中心軸同向；這樣在擺動過程中就可以有俯仰角測出，擺動的角度大??；單片機得到相應(yīng)的角度后，由PID相關(guān)的算法，合理的調(diào)試出三個參數(shù)作用在PWM輸出合適隨時動態(tài)的占空比，驅(qū)動電機驅(qū)動芯片，帶動風(fēng)機高速運轉(zhuǎn)。3、電機轉(zhuǎn)速與風(fēng)力擺控制分析 如何實現(xiàn)畫直線、畫圓等復(fù)雜的動作的呢？再畫直線時要求風(fēng)力擺有較好的線性度，這就要求在安裝風(fēng)機是盡可能的角度準確，在風(fēng)機合理的合理的作用力產(chǎn)生的合力，從而推動風(fēng)機作畫直線的運動，最開始可以設(shè)置一個合理的角度，在垂直狀態(tài)下，開啟一個風(fēng)機

13、，在風(fēng)機擺動到對應(yīng)角度后，立即停止風(fēng)機的運轉(zhuǎn)，風(fēng)機靠重力左自由下降的落體運動，同時開啟另一側(cè)的電機，使其反方向的吹動，同樣擺動到對應(yīng)角度后，風(fēng)機停轉(zhuǎn)，這樣就基本上實現(xiàn)風(fēng)力擺的類似自由擺的運動。三、電路與程序設(shè)計1、電路的設(shè)計（1）系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖3-1所示：圖3-1 系統(tǒng)總體圖（2）電機驅(qū)動電路圖1.光耦隔離輸入端電路圖，如圖3-2所示。圖3-2 光耦電路圖 2.驅(qū)動芯片電路圖，如圖3-3所示。圖3-3 電機驅(qū)動圖（3）電源電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個系統(tǒng)提供5V或者12V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡單，都采用三端穩(wěn)壓管實現(xiàn)，故不作詳述。2、程序

14、的設(shè)計（1）程序功能描述與設(shè)計思路1、程序功能描述程序上，實現(xiàn)了根據(jù)傳感器測出的風(fēng)機姿態(tài)角輸出合適的PWM波形；由于系統(tǒng)的實時性要求較高，同時還要處理其他的任務(wù)，所以采用了定時器中斷的方法，定時器中定時輸出合適的時間片，根據(jù)相應(yīng)的標志位作出相應(yīng)的任務(wù)計算；定時器的中斷時間為1ms。同時為了方便的調(diào)試各種參數(shù)，在系統(tǒng)中加入了OLED顯示電路，實時的根據(jù)傳感器顯示相關(guān)的參數(shù)。同時系統(tǒng)根據(jù)按鍵輸入電路，實時的調(diào)整相關(guān)的參數(shù)；實現(xiàn)對風(fēng)機擺的自由擺的運動、畫圓的運動等等。2、程序設(shè)計思路驅(qū)動電機時要求能夠?qū)崟r的調(diào)整轉(zhuǎn)速，這就要求輸入電機的電壓能夠?qū)崟r的變化，根據(jù)PWM脈寬調(diào)制可知，合理的控制其占空比能夠

15、調(diào)整電壓大小，根據(jù)傳感器實時的測出傾斜的角度，使用PID算法，對輸出兩進行精確的控制，實現(xiàn)調(diào)整電機轉(zhuǎn)速的調(diào)整。（2）程序流程圖1、主程序流程圖本系統(tǒng)開始時現(xiàn)對相應(yīng)的硬件進行初始化、開啟定時器中斷、同時在主函數(shù)當(dāng)中調(diào)用OLED顯示函數(shù)顯示相關(guān)參數(shù)，同時調(diào)用按鍵檢測函數(shù)，檢測按鍵的鍵值，根據(jù)得到的相關(guān)鍵值對應(yīng)處理相關(guān)的任務(wù)；在定時器中斷中設(shè)置相應(yīng)的任務(wù)處理標志位，在定時器中斷服務(wù)函數(shù)中，調(diào)用任務(wù)處理函數(shù)，這樣可以保證系統(tǒng)具有較高的實時性，程序流程圖如圖3-4所示。 圖3-4 軟件流程圖四、測試方案與測試結(jié)果1、測試方案（1）硬件測試在使用各個硬件模塊時，先測試是否工作正常，硬件模塊包括MCU最小系

16、統(tǒng)，電機驅(qū)動模塊、傳感器檢測模塊、電源模塊等；檢測最小系統(tǒng)內(nèi)時測試是否工作正常，電機驅(qū)動測試是否滿足風(fēng)機的功率的要求，傳感器保證能夠正常的輸出相關(guān)姿態(tài)角，電源模塊是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，保證良好的可靠性和穩(wěn)定性。（2） 硬件軟件聯(lián)和調(diào)試 在編寫總體的程序之前，在確定各個模塊的程序工作正常之后，將各個模塊的程序組合起來；調(diào)試角度輸出時，選用卡爾曼濾波的方法和清華角度、角速度耦合的方法得出穩(wěn)定的角度輸出；在調(diào)試PID參數(shù)時使用電位器，實時的調(diào)節(jié)PID參數(shù)中的P參數(shù)，在調(diào)好P參數(shù)后，再去調(diào)節(jié)其他的參數(shù)。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

17、保證無虛焊。測試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表。3、測試結(jié)果及分析（1）畫直固定直線測試 驅(qū)動風(fēng)力擺工作，使激光筆穩(wěn)定地在地面畫出一條長度不短于 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。測試結(jié)果如表 1 所示。表1 風(fēng)力擺畫長于 50cm 直線測試時間偏差1偏差2偏差3偏差4第一次141.81.92.2 2.8第二次132.32.52.11.6第二次161.82.32.63.2(2) 畫不同長度直線測試,如表2所示。表2 風(fēng)力擺畫不同長度直線測試時間偏差1偏差2偏差3偏差430CM91.61.72.33.240CM13

18、2.12.72.52.950CM162.92.32.23.8（3）畫圓測試畫直徑不同的圓，得到相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。表3 畫直徑不同的圓測試直徑30cm直徑35cm直徑40cm直徑45cm直徑50cm時間1618202527偏差距離2.82.93.34.25.8恢復(fù)時間2.12.63.63.53.7（4）測試分析與結(jié)論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，測試可得到相關(guān)的風(fēng)力擺的擺動角度與穩(wěn)定性的關(guān)系，側(cè)得畫圓時所畫的圓穩(wěn)定性與直徑的關(guān)系。風(fēng)機的擺動的動態(tài)穩(wěn)定性與角度有著較大的關(guān)系，經(jīng)過測試可以得到合適的擺動工作角度。五、結(jié)論與心得此次電子設(shè)計大賽然我收獲頗豐，學(xué)到的不僅僅是知識，更重要的是那種吃苦耐勞的、永不放棄

19、的精神，一開始的時候我們拿到題目感覺到很茫然，不知道何從下手；但是經(jīng)過詳細的系統(tǒng)分析后，一步一步的解決相應(yīng)的任務(wù)；逐步的實現(xiàn)了任務(wù)需求。團隊里的三個人分工合作，分別負責(zé)程序的編寫、硬件電路的設(shè)計、機械結(jié)構(gòu)的安裝。電子設(shè)計大賽是我們展現(xiàn)自己知識能力的一個平臺，在短短的四天三夜中，完成一個規(guī)模較大的項目的設(shè)計實屬不易，這就要求我們平時要足夠努力，學(xué)習(xí)相關(guān)的知識，才能夠在比賽中游刃有余。良好的態(tài)度是一切工作正常進行的前提，既然選擇電子這條路就沒理由不把他走好，在項目進行中不管遇到什么問題我們都不應(yīng)該放棄，不到最后后一刻你永遠不知道會發(fā)生什么。我們要做的就是不斷的抓緊時間完成項目，項目進行中一定要細心

20、，負責(zé)稍有疏忽就會影響整體的進展。我們要和隊友良好的相處，處理好隊員之間的矛盾和心態(tài)；不懂的知識自己可以去學(xué)習(xí)；調(diào)試軟件硬件時要有足夠的耐心，有時候我們只要堅持一點點就能夠成功，阻礙我們發(fā)展的往往是自己心情，心胸開闊，善于接受意見和容忍別人的錯誤，我們要放低自己的姿態(tài)，虛心學(xué)習(xí)，才能在培訓(xùn)和競賽中有所收獲。六、參考文獻1譚浩強.C語言程序設(shè)計M.北京:清華大學(xué)出版社,20122閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第四版M.北京：高等教育出版社，1999.6.3王福瑞等單片微機測控系統(tǒng)設(shè)計大全M北京航空航天大學(xué)出版社,1998(331337)4朱貴國,汪黨.基于STM32單片機的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計J. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2013,05:2-3. 5陳鑫,秦宏偉,陳春雨,成寶芝.基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32微控制器研究與電路設(shè)計J. 大慶師范學(xué)院學(xué)報,2013,06:44-47. 6劉慧勇,楊虹. 基于STM32的智能電風(fēng)扇設(shè)計J. 現(xiàn)代電子技