51单片机风力摆设计方案

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

本设计以IAP15W4K58S4单片机为控制核心，支持6路pwm 输出，根据51单片机的易用性、多功能性，以及低成本等特点，我们选择了它作为风力摆的控制核心。风力摆系统采用18650锂电池供电，配合自焊驱动电路板，根据内部程序，对风力摆上直流电机进行调速控制。通过控制不同方向直流电机的转速，从而向空气产生各个方向的不同的力，再通过空气对风力摆的反向作用力，以完成题目要求的风力摆做出的动作。

1.方案论证

本系统主要由单片机控制模块、姿态采集模块、电源模块，控制算法、直流调速系统等部分组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1直流调速系统的论证与选择

方案一：静止可控整流器。简称V-M系统。

方案二：脉宽调速系统。

V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。

与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：

（1）由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。

（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。

（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。

根据以上综合比较，本设计中采用PWM调速系统对直流电机进行调速。

1.2 电源方案的论证与选择

方案一：使用单电源接自制线性直流稳压源模块。单电源同时给控制系统和风机供电，方案简单易操作。但风机转动过程中不仅会给电源带来纹波，而且产生反电压容易使单片机被烧毁。且单电源工作负载大，耗电快。

方案二：采用双电源供电。风机驱动电源和单片机控制电源分开，单片机使用12V 锂电池配合L298N驱动模块供电，直流风机则用18650配合自焊驱动电路板进行供电。此方案可确保系统的稳定性，方便对电机进行PWM调速，且满足了系统对供电需求。

综合上述比较，考虑系统的安全性、稳定性以，本系统采用方案二。

1.3 角度测量方案的选择与论证

方案一：只测量风力摆关于静止状态时的偏转角。采用二维平面内角位移传感器测量风力摆转动时关于静止状态时的偏转角，通过控制该偏转角反馈给单片机执行控制算法实现对风机的控制。该方案软件处理繁琐，且二维平面内的角位移传感器不利于测量风力摆的空间位置，不利于实现对风力摆的精确控制。

方案二：采用MPU-6000（6050）模块。模块集成加速度计和陀螺仪，以数字输出6轴的旋转矩阵、四元数(quaternion)、欧拉角格式(Euler Angle forma)的融合演算数据，得到风力摆姿态角，再通过控制算法对直流风机进行控制。6050模块能测得三轴陀螺仪和三轴加速度数据，能计算出风力摆的精确姿态角，从而实现对风力摆的精确控制。本系统选用6050模块的方案。

1.4 控制算法的论证与选择

方案一：采用模糊控制算法, 模糊控制有许多良好的特性,它不需要事先知道对象的数学模型,具有系统响应快、超调小、过渡过程时间短等优点，但编程复杂，数据处理量大。

方案二：采用PID算法，按比例、积分、微分的函数关系,进行运算,将其运算结果用以输出控制。优点是控制精度高,且算法简单明了。对于本系统的控制已足够精确，节约了单片机的资源和运算时间。本系统选择方案二。

3系统设计

3.1系统结构

要求：一长约60cm~70cm 的细管上端用万向节固定在支架上，下方悬挂一组直流风机，构成一风力摆。风力摆上安装一向下的激光笔，静止时，激光笔的下端距地面不超过20cm。

根据题目要求，搭建如图所示风力摆结构。选用高转速直流风机，反接旋翼桨叶，使风力得到足够保证。万向节用机油浸泡以减少摩擦，选用碳素轻质细杆，以减轻风力摆自身重力，使风摆能够精确完成规定动作。支架底座选用铁质水管，以提升整个系统的稳定性。

3.2

3.3电路设计

单片机接线图

电机驱动图mpu6050电路图

4．系统测试

测试仪器

（1）秒表（2）量角器（3）自制方向角度图纸（4）卷尺测试方案及结果：

4.1利用外环比例震荡驱动风力摆工作，使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，记录其由静止至开始自由摆时间（s）、与坐标轴的最大偏差距离（cm）、系统稳定性（0~10，其中10为最稳定）。

测试结果如表 1 所示。

表 1 风力摆画长于52cm 直线测试

4.2设置PWM波摆画线长度，利用外环比例驱动风力摆工作，记录其由静止至开始自由摆时间（s），在画不同长度直线时与坐标轴的的最大偏差距离（cm）、系统稳定性（0~10，其中10为最稳定）。测试结果如表 2 所示。

4.3通过PWM波设置风力摆自由摆时角度，利用外环比例驱动风力摆工作，记录其由静止至开始自由摆时间及在画不同角度直线时的最大偏差距离。测试结果如表3 所示。

4.4将风力摆拉起一定角度放开，驱动风力摆工作，测试风力摆制动达到静止状态所用时间。测试结果如表 4 所示。

1.1.1 4.3.2测试分析与结论

根据上述测试数据，XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX，由此可以得出以下结论：

1、

2、

3、*********结果误差改进三个角度****

综上所述，本设计达到设计要求。