简易风力摆报告设计
全国大学生电子设计竞赛B题风力摆设计报告
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 日本文以IAP单片机为控制核心，可以在运行过程中对User Flash的部分区域进行烧写；MPU605是陀螺仪与加速度传感器的结合，可实时检测出风力摆的状态并由单片机处理后通过PID控制算法实现闭环调节，实现对直流电机转速的控制以此来达到风力摆的动态平衡。
系统设计结构简单，制作成本低，控制精度高。
风力摆运行状态由液晶显示，智能性好，反应速度快，具有良好的人机交互界面。
目录一、系统方案 (1)1、电机的论证与选择12、单片机的论证与选择...............................................................13、电机驱动电路的论证与选择1二、系统理论分析与计算22.1保证系统稳定性的方法 (2)⑴选取合适的材料搭建支架 (2)(2)选取适宜的硬件提高精准度 (2)1、小型直流电机电路32、显示模块的电路33、电机驱动电路3三、系统设计31、系统流程图32、程序设计(见附录) ................................................................3四、测试方案及结果31、测试仪器32、测试结果33、测试分析 (5)五、结论与心得5六、参考文献5附录1 :源程序 (6)风力摆控制系统（ B 题）【本科组】一、系统方案本系统主要由控制处理模块、角度，加速度检测模块、驱动模块、电源模块、显示组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1、电机的论证与选择方案一：采用步进电机。
步进电机具有动态响应快、易于起停，易于正反转及变速的优点。
但缺点是它以步进式跟进，角度小于一个步距角时是系统响应盲区，而且经过测试步进电机在控制旋转臂时，抖动性大并且容易出现卡顿现象，所以不适合风力摆的控制。
方案二：采用小型轴流风机。
扭矩大，体积小，驱动电路简单，稳定强，负载能力强等优点。
基于K60的风力摆控制系统设计
ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｉ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｃ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ ｗ ｉ ｎ ｄ ｐ ｅ ｎ ｄ ｕ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ｒ ｅ ａ ｌ ｔ ｉ ｍｅ ， ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｔ ａ ｇ ｅ ｓ ｏ ｆ ｓ ｍａ ｌ ｌ ｏ ｖ ｅ ｒ ｓ ｈ ｏ ｏ ｔ ， ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ
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《自动化 与仪 器仪表１ ２ ０ １ ６年第 ｌ Ｏ期 （ 总第 ２ ０ ４期 ）
基于 Ｋ ６ ０的风 力 摆控 制 系 统 设 计
宫 玉芳 ， 赵 霞 ， 杨 志飞
（ １ ． 兰州交通 大学 电子 与信 息工 程学院 甘肃兰州 ， ７ ３ ０ ０ ７ ０ ） ； （ ２ ． 兰州交通大学 自动化与 电气工程学 院 甘肃 兰州 ， ７ ３ ０ ０ ７ ０ ）
风力摆的精确控制设计
对 风 力 摆 的 影 响 。 直 杆 选 用 了 玻 纤 管 。使 摆 更 轻 ，控 制 更 有 驱动 能力 强 ，加 速 性 能 ，减 速 性 能 好 效 率 高 的 特 点 。
灵 活 。
２－３ 电机 选 择
轴 流 风 机 我 们 使 用 了整 体 重 量 很 轻 但 是 风 力 强 大 的 流
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４ 系 统 软 件 设 计
采 用 小 型直 流 电机 。直 流 电 机 转速 快 。体 积 小 。具 有 最 优
风 机 ，与普 通 直 流 无 刷 流 风机 相 比大 大 缩 短 了完 成任 务 的 时 越 的调 速 性 能嘲，主 要 表 现 在 调 速 方 便 （可 无 级 调 速 ）、运 行 平
间 。 流 风 机 的 固 定 架 是用 ｐｒｏｅ画 图 ．经 ３Ｄ打 印 机 打 印 而 成 稳 、噪 音 低 、效 率 高等 方 面 Ｏ
路 ，故 可 以直 接 和 ＭＣＵ接 口 ，同时 具 有 电 流 检 测 ，以及 过 温 、 电 压 击 穿 开 关 管 。 电路 如 图 ２所 示 。
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风力摆控制系统程序设计
上大部分的字符型液晶。（图 2） 3 驱动电路原理图
图 4 主程序流程图
L298N 是一种双 H 桥电机驱动芯片，其中每个 H 桥可以提供 2A
图 5 子程序流程图 表 1 风力摆画长于 5 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
根据上述测试数据，可以得出以下结论： 驱动风力摆工作，激光笔稳定地在地面画出一条长度不短于 50cm 的直线段，来回五次，满足时间要求及最大偏差距离。
参考文献 [1]李硕,赵彤帆,李根全,宋海珍.Matlab 软件在单摆自由振动中的应用[J]. 实验室研究与探索,2013,11:65-68. [2]陈文涛,龚善初.单摆振动分析[J].湖南理工学院学报(自然科学版), 2008,01:66-70. [3]侯祥林,丛德宏,徐心和.倒立单摆摆起开环控制律的最优化算法[J].东 北大学学报,2004,01:9-12. [4]龚善初.影响单摆振动周期的参数研究[J].大学物理,2006,06:12-15. [5]郭鹏.模糊前馈与模糊 PID 结合的风力发电机组变桨距控制[J].中国电 机工程学报,2010,08:123-128. [6]王述彦,师宇,冯忠绪.基于模糊 PID 控制器的控制方法研究[J].机械科 学与技术,2011,01:166-172. [7]何芝强.PID 控制器参数整定方法及其应用研究[D].杭州：浙江大学， 2005. [8]张卫政.基于模糊控制的风机盘管空调系统应用研究[D].广州：广东工 业大学,2005. [9]王冀龙.智能新风机控制系统设计[D].秦皇岛：燕山大学,2014.
1 系统总体框图（图 1）
2 显示模块
1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它
全国大学生电子设计竞赛B题风力摆设计报告精编版
全国大学生电子设计竞赛B题风力摆设计报告公司内部编号：（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）2015年8月15日摘要本文以 IAP 单片机为控制核心，可以在运行过程中对User Flash的部分区域进行烧写；MPU6050是陀螺仪与加速度传感器的结合，可实时检测出风力摆的状态并由单片机处理后通过PID 控制算法实现闭环调节，实现对直流电机转速的控制以此来达到风力摆的动态平衡。
系统设计结构简单，制作成本低，控制精度高。
风力摆运行状态由液晶显示，智能性好，反应速度快，具有良好的人机交互界面。
目录风力摆控制系统（B题）【本科组】一、系统方案本系统主要由控制处理模块、角度，加速度检测模块、驱动模块、电源模块、显示组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1、电机的论证与选择方案一：采用步进电机。
步进电机具有动态响应快、易于起停，易于正反转及变速的优点。
但缺点是它以步进式跟进，角度小于一个步距角时是系统响应盲区，而且经过测试步进电机在控制旋转臂时，抖动性大并且容易出现卡顿现象，所以不适合风力摆的控制。
方案二：采用小型轴流风机。
扭矩大，体积小，驱动电路简单，稳定强，负载能力强等优点。
综合比较以上两种电机，结合设计所需平稳的控制摆杆处于竖直状态，故选择小型轴流风机。
2、单片机的论证与选择方案一：采用 AT89C52 单片机。
AT89C52 单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。
方案二：采用IAP15F2K61S2 单片机。
IAP 系列单片机具有低功耗、高速度、超强抗干扰等优点。
方案三：采用 STC89C52RC 单片机本身带有有 8 路十位 AD 转换和 2 路PWM，而且处理速度比一般单片机要快，精度高。
综合比较以上三种单片机。
为了更方便、高精度、高速度地控制系统，完成题目要求，故选择 IAP15F2K61S2 单片机为主控芯片。
全国大学生电子设计竞赛设计报告风力摆
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日摘要本风力摆系统主要包括单片机控制模块，开关电源（电源模块）激光笔及小型轴流风机，以及基于六轴倾角仪mpu6050的闭环控制系统。
其中控制模块采用STM32为核心控制芯片，激光笔作为系统的执行机构，12V2.5A的小型轴流风机作为驱动风力摆的唯一动力，用12V的开关电源驱动轴流风机。
轴流风机和摆杆通过万向节固定在支架上（用粗股导线将风力摆悬挂在支架上）。
固定在支架上，测量得到的角度经过软件处理得到风力摆摆动所需要的PWM值。
（本系统的PID 算法算法是通过实际经验试验出风力摆的控制规律，稳定的完成风力摆运动过程中激光笔画轨迹。
）关键词：风力摆; STM32; 轴流风机; PID算法; mpu6050目录一、系统结构方案与设计 (1)1、机械结构设计 (1)2、主控芯片的论证与选择 (1)3、风力摆结构方案的论证和选择 (2)4、运动控制算法的论证和选择 (2)二、系统理论分析与计算 (2)1、摆杆位置检测 (2)2、风力摆运动控制分析 (2)3、控制算法分析 (2)三、电路与程序设计 (3)1、电路的设计 (3)（1）STM32最小系统电路 (4)（2）稳压电源电路 (4)2、程序的设计 (4)（1）程序功能描述与设计思路 (4)（2）程序流程图 (4)四、测试方案与测试结果 (5)1、测试方案 (5)2、测试条件与仪器 (5)3、测试结果及分析 (5)（1）测试结果(数据) (5)（2）数据分析与结论 (7)五、结论与心得 (7)六、参考文献 (8)附录1：电路原理图 (9)附录2：源程序 (11)风力摆控制系统（B题）【本科组】一、系统结构方案与设计1、机械结构设计我们以生钢为材料加工成的十字作为风力摆支架的底盘，结构坚固克服摆动时的震动。
以实心的钢棒作为摆杆减小了摆动时的自旋，用万向节将摆杆和支架的水平臂连接保证了摆动的灵活性以及达到了摆动角度和速度的精确控制。
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。
2015全国电设B题风力摆报告刘垚圻尹楚君张森
参赛队代码：B412015年全国大学生电子设计竞赛天津赛区(TI杯)设计报告封纸天津工业大学刘垚圻尹楚君张森摘要风力摆是一种经典的闭环控制，这种经典算法在智能化控制中起到举足轻重的作用。
本设计以STM32为主控器单片机，采用类圆锥摆物理模型，利用两套Zigbee无线模块，实现无线手持人机操作、无线测量，实现便捷、安全、稳定的闭环可控系统。
首先通过人机操作无线命令终端执行指令，再利用测量端的高精度陀螺仪采集风力摆结构偏角，将三轴偏角无线传输给终端分析处理，得到的姿态角数据后利用改善型的PID算法调节轴流风机，从而控制风力摆的精准摆动，最后实现较好的实现快速起动、恢复静止的功能，并能较准确画直线、画圆，且受风力影响后能够快速恢复画圆状态。
本设计在保证快速摆起完成任务的同时，有较好的精准度、稳定性和安全性以及较为完善的人机界面。
关键字：PID STM32ZigBee风力摆类圆锥摆目录一、系统方案分析-----------------------------------------------------41.轴流风机数量及摆放位置方案的论证与选择-------------42.风机控制方案分析----------------------------------------------53.控制算法的选择-------------------------------------------------5二、机械结构设计-----------------------------------------------------6三、设计方案-----------------------------------------------------------61.供电设计-----------------------------------------------------------62.程序的设计--------------------------------------------------------7四、测试方案与测试结果--------------------------------------------8五、心得体会-----------------------------------------------------------9六、参考文献-----------------------------------------------------------9风力摆控制系统（B题）【本科组】一、系统方案分析本风力摆控制系统主要包括单片机控制模块、姿态采集模块、电源模块、风力摆模块、液晶显示模块、人机操作系统以及风力摆机械结构组成。
风力摆控制系统 设计报告
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。
电风扇摆动机构课程设计
电风扇摆动机构课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解电风扇摆动机构的基本原理，掌握其组成结构及各部分功能。
2. 学生能够阐述摆动机构在电风扇中的应用，解释其转动过程及影响因素。
3. 学生了解摆动机构的种类，并能分析不同摆动机构的优缺点。
技能目标：1. 学生能够运用所学的摆动机构知识，进行简单的电风扇摆动机构设计与制作。
2. 学生通过实际操作，掌握调整摆动机构转动幅度和速度的方法。
3. 学生能够运用团队协作，进行摆动机构的设计、组装和调试。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对机械设计和制作的兴趣，激发创新意识。
2. 学生在团队协作中，学会相互沟通、协作和解决问题，培养合作精神。
3. 学生认识到电风扇摆动机构在实际应用中的重要性，增强环保意识和节能减排的观念。
课程性质分析：本课程为实践活动课程，结合理论知识，培养学生的动手能力、创新意识和团队合作精神。
学生特点分析：六年级学生具有一定的物理知识和动手能力，对新鲜事物充满好奇，善于观察和思考。
教学要求：教师应关注学生的个体差异，提供充足的实践机会，引导学生运用所学知识解决问题，注重培养学生的实际操作能力和团队协作能力。
通过课程目标的实现，使学生在知识、技能和情感态度价值观方面得到全面发展。
二、教学内容1. 电风扇摆动机构原理：介绍摆动机构的基础知识，包括摆动机构的作用、类型及工作原理。
关联课本第三章第二节的摆动机构内容。
- 摆动机构的定义与作用- 摆动机构的类型及特点- 摆动机构工作原理的阐述2. 摆动机构在电风扇中的应用：分析电风扇中摆动机构的具体应用，探讨其转动过程及影响因素。
参考课本第四章第一节关于电风扇的构造。
- 电风扇摆动机构的结构组成- 摆动机构转动过程分析- 影响摆动机构转动效果的因素3. 摆动机构设计与制作：指导学生运用所学知识，进行电风扇摆动机构的设计与制作。
结合课本第五章实践活动内容。
- 摆动机构设计的基本步骤与方法- 摆动机构制作材料的选用与加工- 摆动机构的组装与调试4. 摆动机构优化与创新：探讨如何优化摆动机构性能，激发学生创新思维。
风力摆控制系统设计报告
风力摆控制系统设计报告公司标准化编码 [QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N]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、无线蓝牙目录电路................................................................... .. (3)风力摆控制系统（B题）【本科组】一、系统方案系统基本方案控制方案设计为了实现题目要求我们采用K60单片机做为主控芯片，用加速度计陀螺仪模块MPU6050来计算角度和风机状态，用直流风机带动摆杆运动。
当MPU6050检测到摆杆的角度时，可根据三角函数公式计算出摆杆现在距离中心的具体位置（方向、距离），单片机会控制PWM波的输出大小来控制风机的风速与方向，使摆杆达到在特定位置静止或按照一定的轨迹运动。
当摆杆处于自然下垂状态时，给四个风机同时上电且风向都向外，此时摆杆仍处于受力平衡——静止状态。
此时降低X轴上一个风机的转速，摆杆将会带动激光头在X轴上画一条直线，当达到一定的倾斜角度时，单片机可根据角度计算出此时距离中心的距离是否>=25cm，若达到要求后，此风机减速，X轴反方向上电机逐渐加速，恢复到初始速度，反方向做相同的运动。
风力摆控制系统方案
风力摆控制系统方案简介风力摆控制系统是用来控制风力摆的运动的一种系统。
风力摆通常用于测量风力的强度和方向，以便在风能利用方面进行相应的调整和优化。
本文将介绍一个设计用于控制风力摆运动的系统方案。
目标本系统的目标是实现对风力摆的精确控制，使其可以随需要而停止、开始或改变方向。
通过控制风力摆的运动，可以提高其测量精度，并确保风能的高效利用。
系统组成本系统主要由下面几个组成部分构成：1. 风力摆风力摆是本系统的核心部件，它用于测量风向和风速。
风力摆通常由一个垂直铰接杆和一个悬挂在杆上的摆锤组成。
当风吹过摆锤时，摆锤会向相反方向摆动，从而使测量者能够通过观察摆动的幅度和方向来判断风的强度和方向。
2. 传感器为了实现对风力摆的控制，需要安装相应的传感器来检测风力摆的姿态和运动。
常用的传感器包括倾斜传感器和加速度传感器。
倾斜传感器用于检测风力摆的倾斜角度，而加速度传感器用于检测风力摆的加速度。
这些传感器可以提供给控制系统必要的数据，以便进行相应的控制。
3. 控制器控制器是系统中的核心部件，负责接收传感器的数据并根据设定的控制算法对风力摆进行控制。
控制器通常由微处理器或可编程逻辑控制器（PLC）组成，它可以根据需求改变风力摆的运动方向、幅度或停止风力摆的运动。
4. 电源与通信模块为了保证系统的正常运行，需要为系统提供稳定的电源。
另外，为了方便对系统进行监控和控制，还需要配备相应的通信模块，使得系统可以与外部设备进行数据传输和命令交互。
系统工作原理本系统工作的基本原理是通过控制器对风力摆进行精确控制。
控制器通过接收传感器提供的数据来判断当前风力摆的状态，并根据设定的控制算法采取相应的控制策略。
控制信号经过放大和处理后，通过执行机构控制风力摆的运动。
系统的工作流程如下：1.传感器采集风力摆的姿态和运动数据，并将数据传输给控制器。
2.控制器根据接收到的数据判断风力摆的状态，如姿态角度、加速度等。
3.控制器根据设定的控制算法，计算出相应的控制信号。
全国大学生电子设计竞赛B题风力摆设计报告
全国大学生电子设计竞赛B题风力摆设计报告公司标准化编码 [QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N]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日摘要本文以 IAP 单片机为控制核心，可以在运行过程中对User Flash的部分区域进行烧写；MPU6050是陀螺仪与加速度传感器的结合，可实时检测出风力摆的状态并由单片机处理后通过PID 控制算法实现闭环调节，实现对直流电机转速的控制以此来达到风力摆的动态平衡。
系统设计结构简单，制作成本低，控制精度高。
风力摆运行状态由液晶显示，智能性好，反应速度快，具有良好的人机交互界面。
目录风力摆控制系统（B题）【本科组】一、系统方案本系统主要由控制处理模块、角度，加速度检测模块、驱动模块、电源模块、显示组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1、电机的论证与选择方案一：采用步进电机。
步进电机具有动态响应快、易于起停，易于正反转及变速的优点。
但缺点是它以步进式跟进，角度小于一个步距角时是系统响应盲区，而且经过测试步进电机在控制旋转臂时，抖动性大并且容易出现卡顿现象，所以不适合风力摆的控制。
方案二：采用小型轴流风机。
扭矩大，体积小，驱动电路简单，稳定强，负载能力强等优点。
综合比较以上两种电机，结合设计所需平稳的控制摆杆处于竖直状态，故选择小型轴流风机。
2、单片机的论证与选择方案一：采用 AT89C52 单片机。
AT89C52 单片机是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。
方案二：采用IAP15F2K61S2 单片机。
IAP 系列单片机具有低功耗、高速度、超强抗干扰等优点。
方案三：采用 STC89C52RC 单片机本身带有有 8 路十位 AD 转换和 2 路 PWM，而且处理速度比一般单片机要快，精度高。
综合比较以上三种单片机。
为了更方便、高精度、高速度地控制系统，完成题目要求，故选择 IAP15F2K61S2 单片机为主控芯片。
简易风力摆报告设计
简易风力摆报告设计Company Document number：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT摘要设计了一个简易风力摆控制装置，由直流风机组，陀螺仪，直流减速电机以及激光笔等组成。
以MSP430F149单片机为核心，用PWM波控制控制电机转速，调节风力大小，并以四个风机上下与左右同面两两并在一起对碳素管及激光笔进行工作，使细杆及激光笔在风机的作用下可进行自由摆动且进一步可控摆动在地上划线，具有很好的重复性，并且可以设定摆动方向且画短线，已经能够在将风力摆拉起一定角度放开后可以在规定时间内达到平衡。
关键词：风力控制摆、陀螺仪、轴流风机、PWM调速、MSP430单片机风力摆控制系统（B题）1方案设计与选择设计内容要求一个下端悬挂有(2~4只)直流风机的细管上端固定在结构支架上，只由风机提供动力，构成一个风力摆，风力摆上安装一个向下的激光笔。
通过单片机代码指令控制驱动风机使风力摆按照一定的规律运动，并使激光笔在地面画出要求的轨迹，风力摆结构图如图1所示。
图1风力摆结构图设计要求基本要求(1)从静止开始，15s 内控制风力摆做类似自由摆运动，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±，并且具有较好的重复性；(2)从静止开始，15s 内完成幅度可控的摆动，画出长度在30~60cm 间可设置，长度偏差不大于±的直线段，并且具有较好的重复性；(3)可设定摆动方向，风力摆从静止开始，15s 内按照设置的方向（角度）摆动，画出不短于20cm 的直线段；(4)将风力摆拉起一定角度(30~45°)放开，5s 内使风力摆制动达到静止状态。
发挥部分(1)以风力摆静止时激光笔的光点为圆心，驱动风力摆用激光笔在地面画圆，30s 内需重复3 次；圆半径可在15~35cm 范围内设置，激光笔画出的轨迹应落在指定半径±的圆环内；(2)在发挥部分(1)后继续作圆周运动，在距离风力摆1~2m 距离内用一台50~60W 台扇在水平方向吹向风力摆，台扇吹5s 后停止，风力摆能够在5s 内恢复发挥部分(1)规定的圆周运动，激光笔画出符合要求的轨迹；(3)其他。
全国大学生电子设计竞赛B题风力摆设计报告
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日摘要本文以 IAP 单片机为控制核心，可以在运行过程中对User Flash的部分区域进行烧写；MPU6050是陀螺仪与加速度传感器的结合，可实时检测出风力摆的状态并由单片机处理后通过PID 控制算法实现闭环调节，实现对直流电机转速的控制以此来达到风力摆的动态平衡。
系统设计结构简单，制作成本低，控制精度高。
风力摆运行状态由液晶显示，智能性好，反应速度快，具有良好的人机交互界面。
目录一、系统方案 (1)1、电机的论证与选择 (1)2、单片机的论证与选择 (1)3、电机驱动电路的论证与选择 (1)二、系统理论分析与计算 (2)2.1保证系统稳定性的方法 (2)(1)选取合适的材料搭建支架 (2)(2)选取适宜的硬件提高精准度 (2)1、小型直流电机电路 (3)2、显示模块的电路 (3)3、电机驱动电路 (4)三、系统设计 (5)1、系统流程图 (5)2、程序设计（见附录） (5)四、测试方案及结果 (6)1、测试仪器 (6)2、测试结果 (6)3、测试分析 (7)五、结论与心得 (8)六、参考文献 (8)附录1：源程序 (8)风力摆控制系统（B题）【本科组】一、系统方案本系统主要由控制处理模块、角度，加速度检测模块、驱动模块、电源模块、显示组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1、电机的论证与选择方案一：采用步进电机。
步进电机具有动态响应快、易于起停，易于正反转及变速的优点。
但缺点是它以步进式跟进，角度小于一个步距角时是系统响应盲区，而且经过测试步进电机在控制旋转臂时，抖动性大并且容易出现卡顿现象，所以不适合风力摆的控制。
方案二：采用小型轴流风机。
扭矩大，体积小，驱动电路简单，稳定强，负载能力强等优点。
综合比较以上两种电机，结合设计所需平稳的控制摆杆处于竖直状态，故选择小型轴流风机。
2、单片机的论证与选择方案一：采用AT89C52 单片机。
风力摆控制系统方案
风力摆控制系统方案（凌阳版）一、硬件选型（1）万向节（购买的时候注意万向节灵活度）（2）陀螺仪（3）单片机控制板：SPM 75F2413 EVM（也可选用其他单片机）（4）风扇驱动板：VLN2003（5）激光笔（尽量小）（6）PVC管（10MM左右购买的时候长一点根据构架截断）（7）风机：每组4个，同一型号，且符合元器件清单要求（直径5~10cm，5~12V DC）即可(电流值选择偏大的)（8）整体支架结构（暂定凌阳3D打印机直接打印）二、 编程控制思路本系统属于个双摆系统，动力来源由悬挂的一组直流风机。
题目的第一步：由于风机的风力的限制，不可能实现直接把风摆的高度吹到实验的要求的高度。
于是需要利用单摆的思路，在摆动过程中增加摆动的能量。
软件设计思路：第一步：1.由于单摆的周期，T = 2π*根号（L/G）L 位杆的长度，G为重力系数。
在程序启动时，可以近似的根据这个时间转换风机旋转方向。
2.但是由于摆幅越来越大后，陀螺仪的测量的角加速度更加明显，可以通过测量陀螺仪的角加速的，进行判断风机换向的时间点。
第二步：这一步主要的要求是，摆幅可控，可设计。
每次在第一步基础上，在风机换向的时候进行PWM脉宽调节控制，进行风力的调节。
第三步：这一步主要是开始使用两个方向的风机进行动力合成，从而实现摆动方向的改变，换向的时候两组电机同时换向。
方向可以通过矢量合成，通过查询sin表格，进行每个风力计算。
（在路劲规划好的基础上可以用陀螺仪进行路径修正）。
第四步：的思路和第一步的思路正好反过来，需要有陀螺仪的辅助，给定陀螺仪反馈回来的角加速度反向的风力，实现制动，在摆动角度比较小的时候在关闭电机即可。
风力摆运动控制系统设计
周运动 ， 轨迹能够在设定 半径 ±２ ． ５ ｃ ｍ 的圆环 内。 关键词 ：轴流风机 ； ＭＰ Ｕ ６ ０ ５ ０ ； 运动控制
ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｒ ｉ ｇ ｏ ｎ ｏ ｍｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｗｏ ｉ ｎ ｄ ｅ ｐ ｅ ｎ ｄ ｅ ｎ ｔ Ｐ Ｉ Ｄ ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ． Ｔ ｈ ｅ Ｐ Ｉ Ｄ ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ ｃ ａ ｎ ｍａ ｋ ｅ
在三维空问的位 置 ， 控制安装在摆杆底端的 ４个 轴流风机 使得 风力 摆运动。在风力摆 正下端置一激光笔 ，
根据 ＭＰ Ｕ ６ ０ ５ ０的反馈数值及三角 函数运算 ， 运用两个独立 Ｐ Ｉ Ｄ算 法 ， 控制风力摆做直线或 圆周 运动 ， 且 在 圆周运动时使风力摆受到 ５ ０ ￣ ６ ０ Ｗ 台扇在水 平方 向吹风 的干扰后 ， 可以５ Ｓ内恢 复运动 轨迹。实验数 据
中图分 类号 ：Ｔ Ｐ ２ ７ ２ 文献标识 码 ：Ａ 文章编 号 ：１ ０ ０ ０ － － ９ ７ ８ ７ （ ２ ０ １ ６ ） １ ２ － ０ １ ０ ６ － ０ ４
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｍｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｎｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｆ ｏ ｒ ｗｉ ｎｄ ｐ ｅ ｎｄ ｕ ｌ ｕ ｍ
风 力摆 运 动 控 制 系统 设 计
张 国军 ，李 绍明 ，闫孝妲 ， 李 威 ，朱正 印
（ 辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院 ， 辽 宁 葫芦 岛 １ ２ ５ １ ０ ５ ） 摘 要 ：系统 以 ３ ２位 的 Ｍ Ｋ ６ ０ Ｄ Ｎ ２ ５ ６ Ｚ Ｖ Ｌ Ｌ １ ０单 片机 为核 心 ， 通 过运 动处理传 感器 ＭＰ Ｕ ６ ０ ５ ０测量 风力摆
一种风力摆系统的设计
１ 总体设计 方案
ＭＰＵ６０５０可工作于不 同电压下 （２．７～５．５Ｖ），其ＶＤＤ端可接受
１．１ 系统 总体设 计
２．５Ｖ，３．ＯＶ或３．３Ｖ（±５％）的供 电电压，１０逻辑接 口的供电电
本系统硬件包括主控芯片ＳＴＭ３２、角度传感器ＭＰＵ６０５０、 压为１．８Ｖ±５％（ＭＰＵ６０５０仅使用ＶＤＤ）。ＭＰＵ６０５０的封装尺寸为
１．４角度传感器的选择
机标称 电流： ４．５Ａ，电机功率 ：５４Ｗ，耐电压：汇漏 电流０．５ｍＡ
这里 ，本文采用角度检测专用芯片ＭＰＵ６０５０。它具备角速 ５００／ｌｍｉｎ。性价比极高，方便购买，资料充足。
度 的全格 感 测 ，范 围可达 ±２５０。／ｓｅｃ，±５００。／ｓｅｃ，±１０００。／
在本设计 中，摆杆 的角度测量所用的部件为角度传感器
透 最高达４００ｋＨｚ的厚膜集成 电路，以及最高达 ２０Ｍ的ＳＰＩ。 ＭＰＵ６０５０。摆杆的一端固定在万 向节上 ，另一端固定在轴流风
作者简介：唐晨 光 （１９９４－），男１湖北麻 城 。
方 案２：采用ＳＴＭ３２系列的ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６。风 力摆控制 的一种调节器 （简称ＰＩＤ调节器），它是工程 中应用最为广泛
系统要求处理器 具有足够 的内存 、闪存和快速的信号采集能 的一种控 制算法 。这种算法原理简单，方便实现 ，适用对象
力，因此 ，本文选用手 头现有的集成仿真器 ，方便软件仿真调 控制参数不需要解耦 ，控制参数的设定相对简单等。而且
第 ３期 ２０１６年 ２月
无 线 互 联 科 技
一 种风 力摆系统的设计
Ｎｏ．３
ＦｅｂｒｕａＦｙ，２０１６
唐晨 光
（武 昌工学院，湖北 武汉 ４３００６５）
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设计了一个简易风力摆控制装置，由直流风机组，陀螺仪，直流减速电机以及激光笔等组成。
以MSP430F14单片机为核心，用PW波控制控制电机转速，调节风力大小，并以四个风机上下与左右同面两两并在一起对碳素管及激光笔进行工作，使细杆及激光笔在
风机的作用下可进行自由摆动且进一步可控摆动在地上划线，具有很好的重复性，并且可
以设定摆动方向且画短线，已经能够在将风力摆拉起一定角度放开后可以在规定时间内达到平衡。
关键词：风力控制摆、陀螺仪、轴流风机、PWM B速、MSP43C单片机
风力摆控制系统（B题）
1方案设计与选择
1.1设计内容
要求一个下端悬挂有（2~4只）直流风机的细管上端固定在结构支架上，只由风机提供动力，构成一个风力摆，风力摆上安装一个向下的激光笔。
通过单片机代码指令控制驱动风机使风力摆按照一定的规律运动，并使激光笔在地面画出要求的轨迹，风力摆结构图如图1所示。
图1风力摆结构图
1.2设计要求
1.2.1基本要求
（1）从静止开始，15s内控制风力摆做类似自由摆运动，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土 2.5cm，并且具有较好的重复性；
⑵从静止开始，15s内完成幅度可控的摆动，画出长度在30~60cm间可设置，长度偏差不大于土 2.5cm的直线段，并且具有较好的重复性；
（3）可设定摆动方向，风力摆从静止开始，15s内按照设置的方向（角度）摆动，画
出不短于20cm的直线段;
(4)将风力摆拉起一定角度(30~45 ° )放开，5s内使风力摆制动达到静止状态。
1.2.2发挥部分
(1) 以风力摆静止时激光笔的光点为圆心，驱动风力摆用激光笔在地面画圆，30s内
需重复3次；圆半径可在15~35cm范围内设置，激光笔画出的轨迹应落在指定半径
± 2.5cm的圆环内；
(2) 在发挥部分(1)后继续作圆周运动，在距离风力摆1~2m距离内用一台50~60W台扇在水平方向吹向风力摆，台扇吹5s后停止，风力摆能够在5s内恢复发挥部分(1)规定的圆周运动，激光笔画出符合要求的轨迹；
(3) 其他。
2总体方案设计与选择
2.1单片机选择
方案一：采用STC89S51芯片，该款芯片具有高性能低功耗的特点，具有32位输入/
输出，可以实现处理、存储等功能⑴，但是其灵活性不高，需实时保护软件现场，否则易丢失信息，存储能力较弱。
方案二：采用MSP430F14芯片，该款芯片具有高性能，低功耗的特点，其抗干扰能力比较强，存储空间较大，稳定性较强。
二者比较之下，选择方案二作为此次设计的核心控制部分。
2.2直流风机选择
方案一：采用12V 4.5A的轴流风机，风力很大，可以将自身轻松吹起，但是体积较大，质量较重。
方案二：采用12V 1.5A的小风机，体积小，质量轻。
但是风力足够大，单电机产生
的风力可吹起4个相同电机
综合考虑，选择方案二中的1.5A的小风机［2］。
2.3驱动电路选择
方案一：采用LM298h全桥驱动芯片，单块芯片可输出四通道PWM波,控制四路风机，但输出电流过低，难以达到风机额定功率。
方案二：采用BTN7971晔桥芯片，驱动电流大，工作频率高，足以满足多个风机同时工作的要求。
综合考虑，选择方案二的芯片。
2.4风力摆控制端设计
风力摆控制端装置如图2所示。
图2风力摆控制端装置
2.5方案框图
方案框图如图3所示。
图3总体方案流程图
3模块电路的设计和计算
3.1核心控制单元
在本设计中我们采用单片机MSP430F14模块为核心控制单元。
来进行外部电路的控制。
从而实现各种功能，达到实验要求。
最小系统如图4所示。
图4 MSP430最小系统
3.2转压模块
风机12V供电，单片机5V供电，所以需要转压模块⑻来转换，12V转5V电路如图5 所示。
图5转压模块
转压电路中的LED1灯是一个指示灯，二极管是用来保护电路，利用二极管的单向导通性，防止电流逆流。
3.3传感器模块
风力摆在摆动过程中可能会出现晃动，因此在这里我们用三向加速度传感器MMA7361 模块。
它根据物体运动和方向改变输出信号的电压值。
用单片机自带A/D转换器读取x、
y、z三向的输出结果，再根据三向加速计进行角度测量原理，即可计算出运动物体与x、y、z三向的夹角。
经过试验，采用加速度传感器可有效测量所需角度，且精度及响应时间均较好。
以下为三向加速计MMA736进行角度测量原理：MMA745三向加速度传感器，根据物件运动即方向改变输出信号的大小。
主控芯片MSP430F14读取X、Y、Z三路电压信号并进行A/D 转换。
X、Y、Z轴的加速度分量Ax、Ay、Az满足.A X A2 A21。
三角倾角测量如图6所示。
图6三角倾角测量
3.4按键电路
为了完成不同的规定摆动，所以需要用按键来实现。
按键电路我们采用拨码开关控制，按键电路如图7所示。
图7按键电路
3.5驱动模块
本设计采用BTN7971芯片进行风机的驱动，可直接对风机机进行控制，不需隔离电路，它通过改变控制端的电平来对风机进行启停、正反转操作，非常方便，亦能满足直流轴流风机全速运动时的超大电流要求［2］。
驱动电路如图8所示
图8风机驱动电路
4系统软件设计
系统软件设计如图9所示
图9系统软件流程图
本系统我简易风力摆装置，其本质就是利用陀螺仪检测角度信息，反馈给单片机后作出相应的指令，对系统作出调整，达到所需的要求，使风机工作，风力摆摆出相应角度并能持续运动并在规定时间内停止。
5测试及调试结果
5.1测试设备
兆信RXN-305［开关电源(12V 3A),量角器，直尺，钢卷尺，Txktronix TDS2022示波器。
5.2测试结果
(1)基本要求测试
基础部分测试如表1所示。
表1基础部分测试表
(2)发挥部分测试
发挥部分如表2所示
表2发挥部分测试表
5.3结果分析
测试结果是基于多次测试后得到的数据，经过多次测试后，基本完成所有任务。
有些目标尚未完全完成，测试环境对测试结果也有一定的影响，同时由于摆杆状态的不同得到结果也不同。
总而言之，本次测试结果据实可靠。
6项目总结
本系统以单片机为核心部分，根据陀螺仪采集的信号，经计算到处的数据来控制直流电机转动，从而达到系统的基本要求，在本系统设计过程中我们力求简洁但能充分发挥硬件电路和软件编程的特点，来满足系统设计的要求，因为时间有限，系统各部分做的相对
粗糙，算法和电路都能够做进一步优化，以求更好地实现其功能
在这段实验过程中，所面临的困难一个接着一个，都需要我们自己运用平时所学知识及便利的网络条件，在实践中想办法动手解决，经过这次比赛，我们体会到了团队合作的意义，每位队员都得到了很好的锻炼，学到了很多东西。
参考文献
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