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。

系统设计框图如图1所示图1 设计系统框图二．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，长度偏差不大于正负2.5cm的直线段，并且具有较好的重复性；模式三：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；模式四：将风力摆拉起一定角度（30—45度）放开，5s内是风力摆制动达到静止状态；模式五：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花园，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制定半径2.5cm的圆环内；模式六：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。

四．测试方案与测试结果1．测试方案按照调试的顺序，按照以下步骤进行调试。

1）调试直流轴流风机的（PWM）速度2）调试单片机与陀螺仪之间的数据传输3）调试系统PID控制的三个参数值：balance.kp、balance.ki、balance.kd 4）调试各模式相应直流轴流风机的转速5）调试两个无线模块的数据传输2．测试仪器：数字示波器，秒表，米尺，量角尺，风速仪，12V5A直流电源。

3．测试结果硬件实物图如附录三所示。

（1）直流轴流风机的PWM能够正常控制其运转速度（2）陀螺仪能正常的将数据发送给控制板，其中陀螺仪MPU6050模块的通信模式为IIC（3）PID控制的调试：确定balance.kp、balance.kd、balance.kd三个参数的值（4）各模式直流轴流风机的转速，需要反复测试，目前已达到比较理想的转速，其测试结果如下表一表一测试数据表（5）两个无线NRF模块，能够较精确相互收发数据，完成两块单片机之间的数据传递4.总结本次设计的风力摆控制系统完全可以实现设计基本要求和发挥部分的要求，系统稳定性较好，成功的完成了本次比赛的任务和要求。

参考文献【1】全国大学生电子设计竞赛组委会编《全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编》[M].北京理工大学出版社.2006年【2】黄正瑾.《电子设计竞赛赛体解析》[M].东南大学出版社. 2003年.第五章【3】周航慈.《单片机应用程序设计》[M]. 北京航空航天大学出版社.2006年【4】李朝青.《单片机原理及接口技术》[M]. 北京航空航天大学出版社. 2005年.第四章附录一：include "sys.h"#include "usart.h"#include "delay.h"#include "led.h"#include "key.h"#include "beep.h"#include "24l01.h"#include "spi.h"#include "imu.h"#include "motor.h"#include "mpu6050.h"u8 Rx_buf[RX_PLOAD_WIDTH];int main(void){u8 key_board;u8 i=0;Stm32_Clock_Init(9);//系统时钟设置delay_init(72);LED_Init();uart_init(72,115200);KEY_Init();TIM4_PWM_Init(999,0);mpu6050_init();delay_ms(200);mpu6050_update();Timer3_Init(199,719);NRF24L01_Init();while(NRF24L01_Check()){LED1 = ~LED1;delay_ms(30);}printf("NRF24L01 OK!");NRF24l01_poweroff();delay_ms(3);NRF24L01_RX_Mode();delay_ms(3);while(1){key_board = KEY_Scan(0);if(key_board==1)//基本功能1{while(1){test_1(40);}}if(key_board==4){while(1){test_2(45);}}if(key_board==5){while(1){for(i=0;i<4;i++){ for(i=0;i<3;i++){test_5(20);delay_ms(1000);}for(i=0;i<3;i++){ TIM4->CCR1=1000;delay_ms(1000);TIM4->CCR1=400;}}while(1){if((angle_rao_x<0)&&(angle_rao_y<0)) {TIM4->CCR1=400;TIM4->CCR4=400;TIM4->CCR2=800;TIM4->CCR3=400;delay_ms(1000);}if((angle_rao_x<0)&&(angle_rao_y>0)) {TIM4->CCR1=800;TIM4->CCR2=800;TIM4->CCR3=400;TIM4->CCR4=400;delay_ms(1000);}if((angle_rao_x>0)&&(angle_rao_y>0)){TIM4->CCR1=800;TIM4->CCR4=400;TIM4->CCR2=400;TIM4->CCR3=400;delay_ms(1000);}if((angle_rao_x>0)&&(angle_rao_y<0)){TIM4->CCR3=600;TIM4->CCR4=700;TIM4->CCR1=400;TIM4->CCR2=400;delay_ms(1000);}}}}}#include "24l01.h"#include "delay.h"#include "spi.h"const u8 TX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH]={0x01,0x02,0x03,0x04,0x05}; //发送地址const u8 RX_ADDRESS[RX_ADR_WIDTH]={0x01,0x02,0x03,0x04,0x05}; //发送地址void NRF24l01_poweroff(void){NRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG+CONFIG,0x00);}void NRF24L01_Init(void){RCC->APB2ENR|=1<<3; //使能PORTB时钟RCC->APB2ENR|=1<<2; //使能PORTA时钟GPIOA->CRL&=0XFFF0FFFF;GPIOA->CRL|=0X00030000; //PG6 7 推挽GPIOA->CRH&=0XFFFFFFF0;GPIOA->CRH|=0X00000003; //PG6 7 推挽GPIOB->CRL&=0XFFFFFFF0;GPIOB->CRL|=0X00000004; //PG8 输入SPI1_Init(); //初始化SPISPI1->CR1&=~(1<<6); //SPI设备失能SPI1->CR1&=~(1<<1); //空闲模式下SCK为0 CPOL=0SPI1->CR1&=~(1<<0); //数据采样从第1个时间边沿开始,CPHA=0SPI1->CR1|=1<<6; //SPI设备使能NRF24L01_CE=0; //使能24L01NRF24L01_CSN=1; //SPI片选取消}u8 NRF24L01_Check(void){u8 buf[5]={0XA5,0XA5,0XA5,0XA5,0XA5};u8 i;SPI1_SetSpeed(SPI_SPEED_16); //spi速度为9Mhz（24L01的最大SPI时钟为10Mhz）NRF24L01_Write_Buf(WRITE_REG+TX_ADDR,buf,5);//写入5个字节的地址.NRF24L01_Read_Buf(TX_ADDR,buf,5); //读出写入的地址for(i=0;i<5;i++)if(buf[i]!=0XA5)break;if(i!=5)return 1;//检测24L01错误return 0; //检测到24L01}u8 NRF24L01_Write_Reg(u8 reg,u8 value){u8 status;NRF24L01_CSN=0; //使能SPI传输status =SPI1_ReadWriteByte(reg);//发送寄存器号SPI1_ReadWriteByte(value); //写入寄存器的值NRF24L01_CSN=1; //禁止SPI传输return(status); //返回状态值}u8 NRF24L01_Read_Reg(u8 reg){u8 reg_val;NRF24L01_CSN = 0; //使能SPI传输SPI1_ReadWriteByte(reg); //发送寄存器号reg_val=SPI1_ReadWriteByte(0XFF);//读取寄存器内容NRF24L01_CSN = 1; //禁止SPI传输return(reg_val); //返回状态值}u8 NRF24L01_Read_Buf(u8 reg,u8 *pBuf,u8 len){u8 status,u8_ctr;NRF24L01_CSN = 0; //使能SPI传输status=SPI1_ReadWriteByte(reg);//发送寄存器值(位置),并读取状态值for(u8_ctr=0;u8_ctr<len;u8_ctr++)pBuf[u8_ctr]=SPI1_ReadWriteByte(0 XFF);//读出数据NRF24L01_CSN=1; //关闭SPI传输return status; //返回读到的状态值}u8 NRF24L01_Write_Buf(u8 reg, u8 *pBuf, u8 len){u8 status,u8_ctr;NRF24L01_CSN = 0; //使能SPI传输status = SPI1_ReadWriteByte(reg);//发送寄存器值(位置),并读取状态值for(u8_ctr=0; u8_ctr<len; u8_ctr++)SPI1_ReadWriteByte(*pBuf++); //写入数据NRF24L01_CSN = 1; //关闭SPI传输return status; //返回读到的状态值}u8 NRF24L01_TxPacket(u8 *txbuf){u8 sta;SPI1_SetSpeed(SPI_SPEED_16);//spi速度为9Mhz（24L01的最大SPI时钟为10Mhz）NRF24L01_CE=0;NRF24L01_Write_Buf(WR_TX_PLOAD,txbuf,TX_PLOAD_WIDTH);//写数据到TX BUF 32个字节NRF24L01_CE=1;//启动发送while(NRF24L01_IRQ!=0);//等待发送完成sta=NRF24L01_Read_Reg(STATUS); //读取状态寄存器的值NRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG+STATUS,sta); //清除TX_DS或MAX_RT中断标志if(sta&MAX_TX)//达到最大重发次数{NRF24L01_Write_Reg(FLUSH_TX,0xff);//清除TX FIFO寄存器return MAX_TX;}if(sta&TX_OK)//发送完成{return TX_OK;}return 0xff;//其他原因发送失败}u8 NRF24L01_RxPacket(u8 *rxbuf){u8 sta;SPI1_SetSpeed(SPI_SPEED_16); //spi速度为9Mhz（24L01的最大SPI时钟为10Mhz）sta=NRF24L01_Read_Reg(STATUS); //读取状态寄存器的值NRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG+STATUS,sta); //清除TX_DS或MAX_RT中断标志if(sta&RX_OK)//接收到数据{NRF24L01_Read_Buf(RD_RX_PLOAD,rxbuf,RX_PLOAD_WIDTH);//读取数据NRF24L01_Write_Reg(FLUSH_RX,0xff);//清除RX FIFO寄存器return 0;}return 1;//没收到任何数据}void NRF24L01_RX_Mode(void){NRF24L01_CE=0;NRF24L01_Write_Buf(WRITE_REG+RX_ADDR_P0,(u8*)RX_ADDRESS,RX_ADR_WID TH);//写RX节点地址NRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG+EN_AA,0x01); //使能通道0的自动应答NRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01);//使能通道0的接收地址NRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG+RF_CH,40); //设置RF通信频率NRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG+RX_PW_P0,RX_PLOAD_WIDTH);//选择通道0的有效数据宽度NRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG+RF_SETUP,0x0f);//设置TX发射参数,0db 增益,2Mbps,低噪声增益开启NRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG+CONFIG, 0x0f);//配置基本工作模式的参数;PWR_UP,EN_CRC,16BIT_CRC,接收模式NRF24L01_CE = 1; //CE为高,进入接收模式}void NRF24L01_TX_Mode(void){NRF24L01_CE=0;NRF24L01_Write_Buf(WRITE_REG+TX_ADDR,(u8*)TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH) ;//写TX节点地址NRF24L01_Write_Buf(WRITE_REG+RX_ADDR_P0,(u8*)RX_ADDRESS,RX_ADR_WID TH); //设置TX节点地址,主要为了使能ACKNRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG+EN_AA,0x01); //使能通道0的自动应答NRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01); //使能通道0的接收地址NRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG+SETUP_RETR,0x1a);//设置自动重发间隔时间:500us + 86us;最大自动重发次数:10次NRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG+RF_CH,40); //设置RF通道为40 NRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG+RF_SETUP,0x0f); //设置TX发射参数,0db 增益,2Mbps,低噪声增益开启NRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG+CONFIG,0x0e); //配置基本工作模式的参数;PWR_UP,EN_CRC,16BIT_CRC,接收模式,开启所有中断NRF24L01_CE=1;//CE为高,10us后启动发送}void BEEP_Init(void){RCC->APB2ENR|=1<<5; //使能PORTD时钟GPIOD->CRL&=0XFFFFF0FF;GPIOD->CRL|=0X00000300; //PD2 推挽输出BEEP=0; //关闭蜂鸣器输出}#include <stm32f10x_lib.h>#include <math.h>#include <stdio.h>#include "delay.h"#include "sys.h"#include "mpu6050.h"#include "imu.h"#include "shuxue.h"#include "sys.h"#define PI 3.1415926535897932384626433832795#define FILTER_SIZE 30float P=1;static s16 acc_x_cail=-145,acc_y_cail=-35,acc_z_cail=-555; //起始条件下，偏差，正常是4096，x和y轴都差不多，而z轴接近4900，因此减掉800// static s32 x_sum=0,y_sum=0,z_sum=0;static s16 x_hist_tab[FILTER_SIZE] ,y_hist_tab[FILTER_SIZE] ,z_hist_tab[FILTE R_SIZE] ;s16 ave_acc_x ,ave_acc_y,ave_acc_z;s16 pmx,pmy,pmz;floatv_angle_rao_x=0,v_angle_rao_y=0,piancha_x=0,piancha_y=0,wen_piao_x=0,w en_piao_y=0,angle_rao_x=0,angle_rao_y=0;euler_angle real;double gyro_temp_drift_x,gyro_temp_drift_y,gyro_temp_drift_z;PPID axis13,axis24,axis_z;u16 run_time;double att[3][3]={1 , 0 , 0 ,0 , 1 , 0 ,0 , 0 , 1 ,};double datt[3][3];void init_pid_para(void){axis24.rk=0;axis24.kp=100;//180; //210 axis24.kd=20000; //26000axis24.ki=0.1; //0axis24.sek=0;axis24.ek1=0;axis13.rk=0;axis13.kp=100;//180; //210 axis13.kd=20000; //26000axis13.ki=0.1; //0axis13.sek=0;axis13.ek1=0;axis_z.rk=0;axis_z.kp=150; //200axis_z.kd=7000; //8000axis_z.ki=0.1; //0axis_z.sek=0;axis_z.ek1=0;}void acc_prepare_data_int(void){u8 i;for(i=0;i<FILTER_SIZE;i++){mpu6050_update();x_hist_tab[i]=ax+acc_x_cail;y_hist_tab[i]=ay+acc_y_cail;z_hist_tab[i]=az+acc_z_cail;x_sum+=x_hist_tab[i];y_sum+=y_hist_tab[i];z_sum+=z_hist_tab[i];delay_ms(5);}ave_acc_x=x_sum/FILTER_SIZE;ave_acc_y=y_sum/FILTER_SIZE;ave_acc_z=z_sum/FILTER_SIZE; }void acc_prepare_data(void){static u8 idx=0;if(idx==FILTER_SIZE)idx=0;x_sum-=x_hist_tab[idx];y_sum-=y_hist_tab[idx];z_sum-=z_hist_tab[idx];x_hist_tab[idx]=ax+acc_x_cail;y_hist_tab[idx]=ay+acc_y_cail;z_hist_tab[idx]=az+acc_z_cail;x_sum+=x_hist_tab[idx];y_sum+=y_hist_tab[idx];z_sum+=z_hist_tab[idx];ave_acc_x=x_sum/FILTER_SIZE;ave_acc_y=y_sum/FILTER_SIZE;ave_acc_z=z_sum/FILTER_SIZE;idx++;}void TIM3_IRQHandler(void){if(TIM3->SR&0X0001)//溢出中断{mpu6050_update();acc_prepare_data();piancha_x=(atan2(ave_acc_y,ave_acc_z)*180/PI)-angle_rao_x;//this piancha is -,and it's unit is du //wen_piao_x+=KI_T*piancha_x; //this wen_piao_x is - //v_angle_rao_x=(gx/16.4+wen_piao_x)+KP_T*piancha_x;angle_rao_x+=v_angle_rao_x*0.002;//angle=v_angle*time//piancha_y=(-atan2(ave_acc_x,ave_acc_z)*180/PI)-(angle_rao_y);//thi s piancha is -,and it's unit is du //wen_piao_y+=KI_T*piancha_y; //this wen_piao_x is - //v_angle_rao_y=(gy/16.4+wen_piao_y)+KP_T*piancha_y;angle_rao_y+=v_angle_rao_y*0.002;//angle=v_angle*time//=axis24.kp*axis24.ek+axis24.kd*(axis24.ek-axis24.ek1)+axi s24.ki*axis24.sek;=axis13.kp*axis13.ek+axis13.kd*(axis13.ek-axis13.ek1)+axis13. ki*axis13.sek;axis_=axis_z.kp*axis_z.ek+axis_z.kd*(axis_z.ek-axis_z.ek1)+axis_z. ki*axis_z.sek;run_time= TIM3->CNT;}TIM3->SR&=~(1<<0);//清除中断标志位}void Timer3_Init(u16 arr,u16 psc){RCC->APB1ENR|=1<<1;//TIM2时钟使能TIM3->ARR=arr; //设定计数器自动重装值TIM3->PSC=psc; //预分频器7200,得到10Khz的计数时钟TIM3->DIER|=1<<0; //允许更新中断TIM3->DIER|=1<<6; //允许触发中断TIM3->CR1|=0x01; //使能定时器2MY_NVIC_Init(0,1,TIM3_IRQChannel,2);//抢占3，子优先级3，组2(组2中优先级最低的)}void ium_init(void){mpu6050_update();acc_prepare_data_int();init_pid_para();Timer3_Init(199,719);}void test_1(u16 angle){u16 i;for(;;){while(absolute(v_angle_rao_y)>30){if(absolute(angle_rao_y)<angle) goto MS;}if(angle_rao_y>0){TIM4->CCR4=1000;TIM4->CCR2=200;}else{TIM4->CCR4=200;TIM4->CCR2=1000;} printf("%f\r\n",angle_rao_y);for(i=0;i<(u16)(P*absolute(angle_rao_y));i++){delay_ms(5);if(absolute(angle_rao_y)<angle)goto MS;}TIM4->CCR4=200;TIM4->CCR2=200;}MS:TIM4->CCR4=200;TIM4->CCR2=200;}void test_2(u16 angle){u16 i;for(;;){while(absolute(v_angle_rao_y)>32){if(absolute(angle_rao_y)<angle) goto MS;}if(angle_rao_y>0){TIM4->CCR2=1000;TIM4->CCR4=480;}else{TIM4->CCR2=480;TIM4->CCR4=1000;}for(i=0;i<(u16)(P*absolute(angle_rao_y));i++){delay_ms(5);if(absolute(angle_rao_y)<angle)goto MS;}TIM4->CCR4=480;TIM4->CCR2=480;}MS:TIM4->CCR4=380;TIM4->CCR2=380;}void test_5(u16 angle){u16 i;for(;;){while(absolute(v_angle_rao_y)>30){if(absolute(angle_rao_y)<angle) goto MS;}if(angle_rao_y>0){TIM4->CCR4=1000;TIM4->CCR2=200;}else{TIM4->CCR4=200;TIM4->CCR2=1000;} printf("%f\r\n",angle_rao_y);for(i=0;i<(u16)(P*absolute(angle_rao_y));i++){delay_ms(5);if(absolute(angle_rao_y)<angle)goto MS;}TIM4->CCR4=200;TIM4->CCR2=200;}MS:TIM4->CCR4=200;TIM4->CCR2=200;}附录二：硬件实物图。