风力摆控制系统
风力摆控制系统
风力摆控制系统本系统采用STC12C5A60S2为主控芯片，通过MPU6050传感器提供反馈信息、采用PID控制算法调整轴流风机的状态、在液晶和按键的人机交互作用下显示并切换工作模式，形成一闭环测控系统。
该测控系统通过控制驱动各风机，使风力摆按照一定规律运动，同时保证摆杆下方悬挂的激光笔能在地面画出要求的轨迹。
一、方案论证1.1 控制器模块方案。
控制器是整个控制系统的核心，承载着执行控制算法，实现控制功能的作用。
因此，要保证系统整体的控制质量，控制器的选择非常重要！在控制器的选择方案中，主要进行了如下對比：方案一：选择常见且应用广泛的AT89C52作为控制芯片。
对于这种单片机，我们有良好的知识基础，上手快，成本低。
然而对于本控制系统，程序量较大、所需I/O口较多，89单片机将很难满足控制要求，难以胜任控制任务。
因此，89单片机并不适合作为本系统的控制器。
方案二：较之89系列单片机，STC12单片机资源丰富，集成EEPROM、AD、PCA可编程计数阵列等；其功能更强大，执行速度更快。
对于本系统来说，足以完成控制任务。
故而作为本控制系统的首选。
2.2位置检测模块。
检测模块不仅是获得被控系统所需信息的唯一渠道，而且从根本上决定了被控系统的控制精度，相当于控制系统中的“眼睛”；因此检测模块的设计对整个控制系统的设计至关重要！基于此，在选择检测元件时，主要做了如下对比：方案一：选择整合性6轴运动处理组件MPU6050，利用其自身集成的3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计精确地对被控对象的运动状态进行数据采集；在数据处理上采用卡尔曼滤波算法，测量精度极高。
另外，该传感器封装小节省空间，对本系统的控制十分有利。
方案二：选择角度、加速度模块MMA7361传感器。
这一模块虽有压降小，适合高噪声电源环境工作等特点，但其测量精度及测量范围等各方面性能不及MPU6050。
综合考虑，选取MMA7361作为检测变送传感器并不明智。
风力摆控制系统分析
2021.05科学技术创新风力摆控制系统分析覃仕明1玉函2（1、广西壮族自治区特种设备检验研究院，广西南宁5302002、通力电梯有限公司南宁分公司，广西南宁530200）风力摆控制系统用来控制电机做单摆形式的运动，其简谐运动规律可涉及到物理领域的各个方面，如分子运动、电磁振荡等[1]。
风力摆控制系统是物理研究理论与现代控制理论的结合，如何通过现代控制理论实现物理运动规律，对目前解决实际工业上遇到的问题有很大的研究意义，在经典控制理论和现代控制理论上非常值得探究。
1控制系统分析风力摆控制系统是一个伺服随动控制系统[2]，伺服随动控制系统实现的要求是具备快速跟踪和精确定位，快速跟踪与伺服带宽有关系，带宽越大，快速性就会越好，而带宽主要会受到硬件的惯性限制，惯性越来越大，带宽越来越窄，所以风力摆控制系统的摆杆质量大小可影响其快速跟踪的性能。
系统精确定位的实现则需要机械结构与硬件搭建合理，同时在软件上使用控制算法提高系统的整体抗干扰性。
1.1风力摆简谐运动分析风力摆控制系统是单摆运动的衍生，单摆运动属于简谐运动[3]，所以本系统的运动本质为简谐运动，其数学方程为：（1）风力摆控制系统的所有运动轨迹都将以简谐运动作为实现依据。
除此之外，单摆运动周期方程为：（2）式中的g 为重力加速度，L 为风力摆的摆杆长度。
假设取L=0.3m ，g 取10m/s 2。
因此有：（3）式中的摆杆长度的选取是相对较短的，假设最长的情况下，当选取为2m （4）所以由式（3）和式（4）得出结论，单摆周期的范围大概在1.09s~2.81s 之间，其主要还是取决于摆杆的长度。
1.2风力摆摆角分析角度传感器MPU6050中的三轴陀螺仪与三轴加速计测量出风力摆控制系统当前位置信息的原始数据，再通过自带的DMP 进行数据融合与转换，得出X 轴方向角为roll ，Y 轴方向角为pitch ，Z 轴方向角为yaw ，在风力摆控制系统中，只利用到了X 轴与Y 轴方向角度进行分析计算，所以只对这两个方向角度分析。
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
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。
基于Arduino的风力摆控制系统
素干扰，完成效果不够理想。
引用：
[1] 黄智伟，王彦，陈文光等 . 全国大学生电子设计竞赛 训练教程 [M]. 电子工业出版社 . 北京 .2007.
[2] 谭浩强。c 语言程序设计（第 4 版）[M]. 清华大学出版 社 . 北京 .2010.
[3] 童诗白，华程英 . 模拟电子技术基础（第四版）[M]. 高等教育出版社 . 北京 .2009.
本系统硬件主要由 MCU、三轴加速度计、空心杯直流电机、 电源供电模块、驱动电路及摆杆构成。Arduino ATMega2560 处理 器作为风力摆控制系统的核心，MMA7361 三维角度传感器对摆 杆的运行状态进行实时采集，形成一个闭环控制系统。单片机结 合 PID 控制算法对输入的信号进行处理，从而实现电机组运行姿 态的变化。
电子技术
基于Arduino的风力摆控制系统
◆朱 超
系统以 Arduino ATMega2560处理器作为风力摆控制系统的核 心，结合 PID 控制算法，采用脉宽调制（PWM）方式控制空心 杯直流电机转速。MMA7361 三维角度传感器对摆杆的运行状态 进行实时采集，所得信息反馈到单片机，形成一个闭环控制系统。 1 设计方案
误差1 0.6 1.2 0.6
误差2 1.3 0.6 0.6
误差3 1.4 0.8 0.9
4.2 始自由摆时间及在画不同长度直线时的最大偏差距离。测试
结果如表 2 所示。
表2 风力摆在画不同长度直线测试
画30cm直线 画40cm直线 画50cm直线
[4] 程晨 .Arduino 开发实战指南 [M]. 机械工业出版社 . 北 京 .2012.
（安徽大学 安徽 合肥 230601）
‖112‖
总程序及PID控制算法程序流图 4 系统测试
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。
风力摆控制系统方案
风力摆控制系统方案1. 方案背景和目标随着可持续能源的需求日益增加，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式受到了广泛关注。
然而，由于风能的不稳定性和不可控性，风力发电系统的稳定性和可靠性成为限制其发展的一个关键因素。
为了解决这个问题，风力发电系统必须配备一个可靠的风力摆控制系统。
本文将介绍一种风力摆控制系统的方案，以帮助优化风力发电系统的性能。
2. 系统原理和组成部分风力摆控制系统的主要原理是通过控制摆角，调节风轮的旋转速率，以实现稳定的输出功率。
该系统由以下几个主要组成部分构成：2.1. 风轮风轮是风力发电系统的核心部件，它由多个叶片组成。
当风吹过叶片时，风轮开始旋转，并转化风能为机械能。
2.2. 摆角传感器摆角传感器用于监测风轮的偏移角度，并将这些数据反馈给控制器。
基于传感器的反馈，控制器可以调整风轮的旋转速度，从而在风能不稳定的情况下维持系统的稳定性。
2.3. 控制器控制器是风力摆控制系统的大脑，它接收来自摆角传感器的数据，并根据事先设定的控制算法进行计算。
通过对风轮的速度和角度进行调节，控制器确保系统能够自动适应不同风速和风向的变化。
2.4. 储能装置储能装置用于存储风能，以便在风力不足时提供稳定的电能输出。
常见的储能装置包括电池组、超级电容器等。
2.5. 电力输出风力摆控制系统最终的目标是通过电力输出将风能转化为可用的电能。
电力输出模块将经过控制器调节过的风轮旋转速度转化为电能，并将其连接到电网或其他电力设备。
3. 工作流程和控制算法风力摆控制系统的工作流程如下：1.摆角传感器检测风轮的摆角，并将数据发送给控制器。
2.控制器根据传感器数据和预设的控制算法进行计算。
3.控制器通过调节风轮的旋转速度，使风轮保持在适当的角度。
4.如果风速增加，控制器将增加风轮的旋转速度以提高系统的输出功率；如果风速减小，控制器将降低风轮的旋转速度以避免过载。
5.当风力不足时，储能装置将提供额外的电能，以维持系统的稳定性。
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。
风力摆控制系统-B
风力摆控制系统摘要：风力摆控制系统由五大部分组成，即控制单元、动力单元、检测单元、总线单元、电源和人机交互部分。
风力摆控制系统的控制核心STM32F103ZET6根据检测部分JY-901九轴角度传感器测得物体的位置信息和运动趋势，对直流轴流风机进行模糊PID控制，保证了系统的快准稳控制，采用串行总线传输信号，最终实现了风力摆的轨迹控制。
关键词：直流轴流风机、JY-901九轴角度传感器、STM32F103ZET6、模糊PID、串行总线。
引言：风力即是风的机械力，我们想用风力作为我们的唯一动力控制物体运动。
作为我们控制领域的一道难题。
2015年大学生电子设计大赛出了一道风力摆系统的题目，使研究锋利为动力的控制系统在大学生的控制领域展开，风力摆系统作为空气动力学我们需要系统的紧密配合才能做到对系统的控制。
1.系统方案本系统以基于超低功耗ARM Cortex-M3处理器内核的STM32F103ZET6作为系统主控制器，外接JY-901九轴角度传感器、电机驱动模块、薄膜键盘、OLED液晶屏，采用rs232串行总线方式做信息的传输。
控制过程如图1.1所示：由人机交互部分的键盘输入控制目标，根据监测部分JY-901九轴角度传感器测得物体的位置信息，交由风力摆控制系统的控制核心STM32处理，将控制信号传输给电机驱动。
进而控制轴流风机运动带动摆臂运动，来实现轨迹和位置的控制，使激光笔得到相应的轨迹。
图1.1 系统原理图1.系统内部模块的方案论证和选择1.1主控芯片的论证与选择方案一：采用AT89S52单片机AT89S52是CMOS8位微控制器，具有8K的系统可编程Flash存储器。
具有低功耗，价格便宜，控制简单等一系列优点。
但在执行动态刷新的时候读取EEPROM的速度慢，刷新频率受到限制。
内存空间小，端口资源和功能相对不够丰富[1]。
方案二：大规模可编程逻辑器件FPGA目前，大规模可编程逻辑器件容量不断增大，速度不断提高，I/O口均在数百以上，也可以在不改变硬件电路的情况下改变功能。
风力摆控制系统
风力摆控制系统摘要：本系统以MSP430F149单片机作为主控芯片，通过陀螺仪传感器MPU-6050检测风力摆的姿态信息，采用PID控制算法和互补滤波，实现了系统的最优控制，角度和X-Y轴等姿态信息的实时显示，使系统按照预期的轨迹运动。
本设计结构简单、可靠性高、操作方便、性能优良。
关键词：风力摆；MSP430F149； PID调节；互补滤波目录一、系统方案 (1)1、检测模块的论证与选择 (1)2、动力模块的论证与选择 (1)3、显示模块的论证与选择 (1)4、控制模块的论证与选择 (2)二、系统理论分析 (2)1、运动情况分析 (2)（1）水平直线运动 (2)（2）自动“归零”运动 (2)（3）圆周运动 (3)2、水平直线运动计算 (3)3、圆周运动计算 (3)4、PID调节和互补滤波 (4)三、电路与程序 (4)1、电路的设计 (4)（1）系统总体框图 (4)（2）供电子系统 (4)（3）检测模块 (5)（4）显示模块 (5)2、程序的设计 (5)(1)程序功能描述与设计思路 (5)(2)程序流程图 (6)四、测试方案与测试结果 (6)1、测试方案 (6)2、测试条件与仪器 (6)3、测试结果及分析 (6)（1）测试结果 (6)（2）测试分析与结论 (8)五、结论与心得 (8)六、参考文献 (8)风力摆控制系统（B题）【本科组】一、系统方案本系统主要由检测模块、显示模块、动力模块和控制模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1、检测模块的论证与选择方案一：采用MMA7455加速度传感器检测平台倾角。
其核心为飞思卡尔公司的MMA7455L数字三轴加速度传感器，它通过数字输出，工作可靠。
但其8位模式限制了其测量精度，在测量微小的角度变化上误差较大，且7455不含陀螺仪，由此产生陀螺仪与加速器之间时间差的问题。
方案二：采用电位器检测摆杆倾角。
用电阻分压方式可以实现电位器对角度变化的感应。
但是必须经过模数转换才能将信号传给处理器处理，其灵敏度和模数转换器的精度都会对测量结果产生直接影响，误差很大。
风力摆控制系统
摆杆
风机 1 风机 2
图 2.3 两个直流风机组合示意图
4
方案 2： 使用四个直流风机，用两个矩形塑料板组成十字形，分别将四个直 流风机放置在四个点上如图 2.4 所示。每个轴上由两个直流风机控制风力摆的摆 动，可以很好地做到加速摆动与快速制动，能够更容易的实现题目的要求。
（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 方案论证与设计
2.1 总体方案描述
本设计的结构示意主视图与俯视图如下图 2.1 所示，为了实现题目中的要求， 我们在初始点 O 处 1~4 号直流风机全部开始运转，1、3 号直流风机用来调节垂 直于运动方向上的距离，使其摆动时偏差不超过允许范围；2、4 号直流风机同时 运转，但转速不同，使风力摆向风速小的方向运动。风力摆无法直接运动到指定 位置，所以需要多次摆动，每次到达最高点时将其推向另一侧，最终使其实现摆 动。采用姿态采集模块来测量摆动角度，进而推断画线长度；通过几个在直流风 机的合力使风力摆向任意指定方向摆动；改变各个直流风机的风速使其尽快制动。 调节各个风机使其在有无干扰的情况下完成画圆功能。
方案 1：12864 液晶显示，12864 不仅能显示数字符号，还能显示汉字与图 形，操作方法与其他液晶显示相似。但其体积较大，并且价格较高。
大学生电子设计竞赛论文-风力摆控制系统的设计
2015 年全国大学生电子设计竞赛论文B 题：风力摆控制系统的设计2015年8 月15 日摘要该系统以高速单片机STC89C52R为控制核心,主要由物理框架、数据采集系统、主控系统、执行系统四大部分组成。
主控系统以高速单片机STC11F52X助核心，实现对执行系统对直流电机的控制，从而实现基于自由摆的摆动控制系统。
此方案可行性高，且精确度较高。
关键词：单片机( STC11F52X)E ，直流电机，风力摆摆动控制目录1、系统方案论证与选择 (1)1.1 控制系统的论证与选择 (1)1.2 供电系统的论证与选择 (2)1.3 风力摆角度调整系统的论证与选择 (2)2、系统理论分析与计算 (3)2.1 建模与控制方法 (3)2.1.1 基本部分的第一项控制方法 (3)2.1.2 基本部分的第二项控制方法 (3)3 、硬件电路设计与分析 (3)3.1 系统电路总体框图 (3)3.2 主要模块电路的设计 (4)3.2.1 继电器模块电路 (4)3.2.2 单片机模块电路 (4)4、测试方案与测试结果 (5)4.1 测试仪器 (5)4.2 测试方案以及结果...4.2.1 测试基本部分（1）4.2.2 测试基本部分（2）.5、总结....................5.1硬件小结 ............5.2软件小结 ............5.3 心得体会 ........... 附录1电路原理图和PCB版图附录2主要元器件清单 (5) (5)...514 14 15 15 16 18风力摆控制系统（B题）【本科组】1系统方案论证与选择本任务要求设计制作一个基于风力摆测控系统，控制驱动各风机使风力摆按照一定规律运动，激光笔在地面上画出要求的轨迹。
据题目要求分析，我们得到基本思路，如图 1. i所示：图1. i 系统总体方案i.i控制系统的论证与选择方案1：用继电器来产生直流机的控制信号。
它是利用电磁效应实现电路开、关控制作用的原件，广泛应用在电子设备、仪器仪表及自动化设备中。
风力摆控制系统
风力摆控制系统（B 题）摘要:本系统为由 STM32 单片机控制模块、姿态采集模块、风力摆模块、液晶显示模块、人机交互系统以及风力摆机械结构组成的闭环控制系统。
MPU6050 采集风力摆姿态角，单片机处理姿态角数据后通过 PID 精确算法调节直流风机以控制风力摆。
本系统实现了风力摆在仅受直流风机为动力控制下快速起摆、画线、恢复静止的功能，并能准确画圆，且受风力影响后能够快速恢复画圆状态，具有很好的鲁棒性。
另外，本系统具有良好的人机交互界面，各参数及测试模式可由按键输入并通过液晶显示，智能性好，反应速度快。
关键词：PID 算法 MPU6050 STM32单片机人机交互1系统方案本风力摆控制系统主要包括单片机控制模块、电源模块、姿态采集模块、风力摆模块、液晶显示模块、人机交互系统以及风力摆机械结构组成。
风力摆由万向节连接碳杆再连接风机组成。
位于碳杆最下方的姿态采集模块不断采集风力摆当前姿态角，并返回单片机。
单片机控制液晶显示姿态角数据并处理数据后通过控制PWM 波占空比控制风机转速，实现对风力摆的控制。
本系统结构框图如图1所示。
图1 系统总计结构框图1.1处理器选择方案方案一：采用传统的51系列单片机。
传统的51单片机为8位机，价格便宜，控制简单，但是运算速度慢，片内资源少，存储容量小，难以存储大体积的程序和实现快速精准的反应控制。
并且受时钟限制，计时精度不高，外围电路也增加了系统的不可靠性。
方案二：采用以增强型80C51内核的STC系列单片机STC12C5A60S2，其片内集成了60KB程序Flash，2通道PWM、16位定时器等资源，操作也较为简单，具有在系统调试功能（ISD），开发环境非常容易搭建。
但实际使用了三维角度传感器等对速度要求较高的外设，因此无法很好地符合设计的需要。
方案三：采用以ARM Cortex-M3为内核的STM32F1系列控制芯片，STM32系列芯片时钟频率高达72MHz，具有64K字节SRAM，512K字节的FLASH容量，具有极强的处理计算能力。
L002风力摆控制系统
方案比较与论证风力摆控制系统摘要本系统为风力摆控制系统，由四只直流风机用碳素杆通过万向节固定在支架上构成。
以STM32f103高性能单片机作为系统的控制核心。
采用Mpu6050传感器，利用陀螺仪和加速度计来测量风力摆运动时坐标系三个轴的角度和加速度，然后解算其运动姿态，用BTS7971大功率芯片驱动电路来驱动四个不同朝向的风机进行控制，达到准确控制风力摆运动轨迹的目的。
本系统可在做出幅度可控的直线运动，线性误差在范围内，具有较好重复性。
可作曲线运动。
关键词: 风力摆; STM32; Mpu6050; 驱动电路【 abstract 】this system for wind pendulum control system, by four dc fan with carbonrod through the universal joint is fixed on the bracket. STM32high-performance single chip microcomputer is control core of the system.Mpu6050 sensor, the use of gyroscope and accelerometer to measure windpendulum motion coordinate system when the Angle of the three axis andacceleration, and then calculating the movement posture, with BTS7971chip driver circuit to drive the four different towards fan control, toachieve the purpose of accurate control wind pendulum motion.This systemcan be made the amplitude, the linear motion of the controlled linear errorwithin the range, has a good repeatability and can do curve movement. key words : wind pendulum ; STM32 ; Mpu6050 ; drive circuit方案比较与论证一、方案比较与论证1.1硬件方案系统主要由：MPU6050传感器模块，BTS7971驱动电路模块，运动模式选择模块，激光笔等组成。
风力摆
风力摆控制系统（B题）摘要本系统为由STM32单片机控制模块、姿态采集模块、风力摆模块、液晶显示模块、人机交互系统以及风力摆机械结构组成的闭环控制系统。
MPU6050采集风力摆姿态角，单片机处理姿态角数据后通过PID精确算法调节直流风机以控制风力摆。
本系统实现了风力摆在仅受直流风机为动力控制下快速起摆、画线、恢复静止的功能，并能准确画圆，且受风力影响后能够快速恢复画圆状态，具有很好的鲁棒性。
另外，本系统具有良好的人机交互界面，各参数及测试模式可由按键输入并通过液晶显示，智能性好，反应速度快。
关键词：PID算法MPU6050STM32单片机人机交互1、系统方案本风力摆控制系统主要包括单片机控制模块、电源模块、姿态采集模块、风力摆模块、液晶显示模块、人机交互系统以及风力摆机械结构组成。
风力摆由万向节连接碳杆再连接风机组成。
位于碳杆最下方的姿态采集模块不断采集风力摆当前姿态角，并返回单片机。
单片机控制液晶显示姿态角数据并处理数据后通过控制PWM波占空比控制风机转速，实现对风力摆的控制。
本系统结构框图如图1所示。
姿态采集模块风力摆模块单片机系统人机交互系统液晶显示模块1.1风力摆运动控制方案的选择与论证方案一：采用2只直流风机作为动力系统。
采用2只风机并排同向而立，分别位于摆杆两侧，通过控制风机转速控制风力摆使激光笔画线画圆。
此方案风力摆负载轻，但风力摆摆动过程中状态微调和快速静止不易实现。
方案二：采用3只直流风机作为动力系统。
三只风机为等边三角形三边，相背而立，互成120°夹角。
此方案相对于方案二在控制风力摆转动过程中状态微调方面有提升，但自成三角形，相邻两风机夹角过大，依旧不利于精确控制风力摆状态。
方案三：采用4只直流风机作为动力系统。
四只风机取一边靠于摆杆，朝向成顺时针排列，通过控制四只风机转速控制风力摆当前状态。
此方案风力摆负载最重，但对于控制风力摆状态最为精确，且动力最足。
综合上述比较，考虑系统的快速工作以及精确控制，本系统采用方案三。
风力摆控制系统初试报告
风力摆控制系统（B题）摘要本系统由STM32F103ZET6单片机、MPU6050陀螺仪模块、电机驱动模块、直流风机控制模块和电源模块组成。
MPU6050陀螺仪检测到摆杆的水平面上的角速度和速度以及位置反馈给单片机，单片机用PID控制算法对数据进行处理，输出PWM波驱动直流风机运动，实现风力摆迅速起摆、等幅振荡、定角度起摆、快速制动、精准快速画圆等功能，并且偏差非常小，所用时间也远远小于题目中所给定时间。
另外，该系统采用液晶屏显示，利用按键对风力摆进行控制，实现了良好的人机交互功能，使得控制操作非常方便。
关键词：风力摆；STM32；陀螺仪；直流风机1系统方案1.1系统结构本系统主要由STM32F103ZET6单片机最小系统、电机驱动模块、电源模块、显示模块、摆杆、直流风机组成。
直流风机为系统的执行机构，由专门的电机驱动芯片TB6612FN 驱动。
摆杆固定在悬挂的万向节上，直流电机带动摆杆进行运动，系统通过固定在摆杆底部的MPU6050陀螺仪反馈回来的角度值和加速度值对四个风机进行PID 算法调节，实现了对摆杆的精准控制，完成了题目中的所有基本要求和发挥要求。
本系统的结构框图如图1-1所示。
图1-1系统结构框图1.2方案比较与选择1.2.1 风力摆控制方案的论证与选择方案一：采用2只直流风机作为动力系统。
采用2只风机并排垂直而立，分别位于摆杆两侧，通过控制风机转速控制风力摆使激光笔画线画圆。
此方案风力摆负载轻，能快速度起摆，但其抗干扰性差，不容易实现精准控制。
方案二：采用3只直流风机作为动力系统。
三只风机为等边三角形三边，相背而立，互成120°夹角。
此方案相对于方案一在控制风力摆转动过程中状态微调方面有提升，但自成三角形，控制难度大，不利于精确控制风力摆状态。
方案三：采用4只直流风机作为动力系统。
四只风机取一边靠于摆杆，朝向成顺时针排列，通过控制四只风机转速控制风力摆当前状态。
此方案风力摆负载最重，但对于控制风力摆状态最为精确，动力最足，且抗干扰能力最强。
风力摆控制系统
【 关键 词 】 ＭＳ Ｐ ４ ３ ０ １ ４ ９ 单 片机 ；角度传感器 ；万向节 ；直流轴风机
注意功耗 问题 、散热 问题 。
１ 基本 要求
１ ） 从静 止开 始 ，ｌ ５ ｓ 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５ ０ ａ ｍ 的 直线段 ，其线性度偏差不大于 ±２ ． ５ ｃ ｍ ，并且具 有较好 的
Ｅ Ｌ Ｅ Ｃ Ｔ Ｒ ＯＮＩ Ｃ Ｓ ＷＯＲ Ｌ Ｄ ・技 术 交 流
风力摆控制 系统
天津现代 职业技 术学院 王娜丽
【 摘 要 】本 系统主要 ￣ＭＳ Ｐ ４ ３ ０ — １ ４ ９ 单片机、轴流 电机 、万向节、陀螺仪 传感器、 电机 驱动 电路 、降压模块 。通过 开关
电源输 出１ ２ Ｖ％源经过 降压模块 降压输 出３ ． ３ Ｖ和５ Ｖ电压给驱动模块 ，由ＭＳ Ｐ ４ ３ ０ — １ ４ ９ 输 出Ｐ ｗＭ给 驱动电路 ，来控制风机 的转速 ，然后 通过 陀螺仪传 感器进行Ａ Ｄ采集 ，进 而控 制蜂呜器 ，发 出响声 ，完成各 项任务 。
方案三 ：Ｎ ｅ ｗ Ｗ ａ ｙ ２ ９ ８ 一 Ｍ 电机驱动模块是Ｎ ｅ ｗ ｗ ａ ｙ 电子精 心打造的一款 电机驱动器 ，它能够很方便的驱动２ 路直流 电
２ ． ２ 模块方案论证
２ ． ２ ． １ 电 源模 块 （ ５ Ｖ）
方 案一 ：采用７ ８ ０ ５ ，７ ８ ０ ５ ￣端稳 压Ｉ ｃ 内部 电路具 有
本系 统 以４ ３ ０ 单 片机作控 制器 ， 由开关 电源产生 １ ２ Ｖ 电源 ，经 过 降压 得到５ Ｖ 和３ ． ３ Ｖ 的 电源对 风机驱动 电路进
行供 电，通过４ ３ ０ 进 行输 出Ｐ Ｗ Ｍ 给驱动 电路控制 直流轴 风 机 ，风 机上 装陀螺仪 传感器 ，通过 陀螺仪 传感器 反馈信 息来调节Ｐ Ｗ Ｍ 进 行风机 的调节 ，最 后 进行调试 完成
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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日摘要本系统采用STM32F103V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：STM32F103V、直流风机、MPU6050、PID、指南针GY-273Abstract：This system adopts the STM32F103V development board as the control center, and the universal joint, swinging rod, dc fan (brushless motor + blades), laser, feedback device together form the swinging rod motion state and fan speed distribution of the double closed loop speed regulation system. MCU output variable PWM waves to the motor speed, control four directions wind speed of the fan, to produce different size. Using accelerometer module MPU6050, accurately measure the position of swinging rod mobile and center position, the relationship between the sampling after feedback to the single chip microcomputer, the fan timely correction, prevent from the trajectory. Use the compass module judging direction, deviation control system to a specified direction. Using PID algorithm control method, proportion link for quick response, integral element to realize astatic, differential link decrease overshoot, speed up the dynamic response. So that the system has good performance, which can well realize the pendulum movement, fast brake static, circle, specify the direction deviation, has a good stability.Keywords:STM32F103V, dc fan, MPU6050, PID, compass GY - 273目录一、系统方案 (1)1.1 系统基本方案 (1)1.1.1 控制方案设计 (1)1.1.2 机械结构方案设计 (1)1.2 各部分方案选择与论证 (2)1.2.1电机选择 (2)1.2.2 电机驱动的选择 (2)1.2.3 摆杆与横杆的连接选择 (2)1.2.4 摆杆与风机的连接选择 (3)二、系统理论分析与计算 (3)2.1风力摆位置的计算与分析 (3)2.2风力摆运动状态的分析 (3)2.3控制算法的分析 (4)三、电路与程序设计 (4)3.1电路的设计 (4)3.1.1系统总体框图 (4)3.1.2风力摆控制系统总电路原理图见附件1 (4)3.1.3电源 (5)3.2程序的设计 (5)3.2.1程序功能描述与设计思路 (5)3.2.2程序流程图 (6)四、测试方案与测试结果 (6)4.1测试方案 (6)4.2测试条件与仪器 (7)4.3测试结果及分析 (7)（1）测试结果 (7)（2）测试分析与结论 (8)五、结论与心得 (8)六、参考文献 (8)风力摆控制系统（B题）【本科组】一、系统方案1.1 系统基本方案1.1.1 控制方案设计为了实现题目要求我们采用STM32F103V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。
在此过程中，单片机做出A/D采样，Y轴方向方向风机随时做出矫正，防止发生轨迹偏移。
角度传感器控制系统框图如图1所示。
图1 控制系统框图1.1.2 机械结构方案设计由于摆杆长度（60cm~70cm）较长，且要求激光头在地面画出15cm~35cm的圆，所以要求横杆的距离要足够长。
横杆长度较长加之摆杆重量较大，所以要求底座要有足够的重量来支撑整个系统。
如果结构不稳或者重量不够，摆杆运动过程中将会产生倾倒或者抖动等现象，影响测试结果。
于是，底座采用了“工”型结构，保证了整个系统的稳定性。
摆杆材料方面，我们选用轻便的硬质铁质材料与风机进行刚性连接，既能保证连接处的稳定，又可达到减轻底座负担的目的。
风机选择方面，既要保证风力够大，能够实现题目基本要求中的自由摆运动、快速制动静止。
又要有一定的重量，质量越大，惯性越大，越不容易改变原来的运动状态，在实现发挥部分（2）时，受到外界干扰，不容易改变原来的圆周运动状态机械结构如图21.底座；2.竖杆；3.横杆；4.螺栓；5.万向节；6.摆杆；7.风机（1）；8.风机（2）；9.风机（3）；10.风机（4）1.2 各部分方案选择与论证1.2.1电机选择方案一： 采用小型轴流风机（大功率），使用双滚珠轴承，采用滚动摩擦的形式，轴承中有数颗微小钢珠围绕轴心，当扇叶转动时，钢珠即跟着转动。
因为都是球体，摩擦力较小，所以转速较高。
能达到8000RMP ，同时产生较大的风力。
风机内力矩较大，是因为机内绕了大量的铜线，导致重量较大，当4个风机固定到一起时，重量更大，风机产生的风力带动风机运动困难加大，更难做到题目中按要求运动。
另一方面，此风机功率较大，所需电流较大，驱动与供电方面也有很大问题。
方案二：采用双环强磁空心杯电机，内部使用强磁，转速较高。
风力也足够大，基本能达到要求。
但是到题目发挥部分（2）时，面对外界风力干扰时，由于本身重量较轻，极易受到外界干扰，而不容易保持原来状态。
另外，空心杯电机使用3.7V 供电，供电电压较低，单片机控制电机转速时，空心杯的电压线性度较小，而不易被精准控制。
方案三： 采用无刷电机，风力较大，重量适中，完全能达到题目运动状态要求，速度控制精确，但须配套电机调速器。
综合考虑，我们选择方案三。
1.2.2 电机驱动的选择由于上述电机选择了无刷电机，此驱动只能选择电机调速器。
1.2.3 摆杆与横杆的连接选择方案一：摆杆使用粗单股导线直接与横杆连接，连接简单且自由度较好，给风机供电等方面都比较容易，但是导线容易产生自旋，风机固定困难也增大，增加了调试难度。
方案二：摆杆使用硬质铁质材料，通过万向轴与横杆相连。
用此材料强度能够达到要求，图2 机械结构图2且风机固定容易。
硬件搭建合理，配重平衡的前提下，摆杆来回摆动不易发生偏移，可轻松解决基本要求（1），减少了编写代码的工作量。
综上考虑，我们选择方案二，节约时间。
1.2.4 摆杆与风机的连接选择方案一：摆杆与风机之间使用一个直流电机或者舵机连接，这样可以随时改变风机的方向，同时可减少风机的数量，控制量减少。
但是此方案连接结构较为复杂，发挥部分圆周运动稳定性不高。
方案二：摆杆与风机之间采用刚性连接，连接较为简单，稳定性能较好。
综上考虑，我们选择方案二。
二、系统理论分析与计算 2.1风力摆位置的计算与分析通过加速度计陀螺仪模块MPU6050检测风力摆摆杆的倾角数据。
MPU6050集成了3轴MEMS 陀螺仪，3轴MEMS 加速度计。
可根据三角函数公式，可计算出此时摆杆距离中心位置的距离(见图3）。
内部有一个数字运动处理器DMP 。
MPU6050和所有设备寄存器之间通信采用400Khz 的I2C 接口，实现高速通信。
测试过程中，MPU6050与单片机之间进行通信，距离较长，走线较多，干扰较大导致读数不准确，所以在SCL 与SDA 上拉2K 电阻，解决采样问题。
内置卡尔曼滤波器，采用最优化自回归数据处理算法精确测量风力摆当前姿态角。
MPU6050对陀螺仪和加速度计分别采用了16位的ADC ，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量，通过DMP 处理器读取测量数据然后通过串口输出。
MPU6050可测量出出θ1的角度 由图中可知21πθα=+22πθα=+2.2风力摆运动状态的分析基本要求（1）中属于开环控制系统，激光笔绘制的轨迹超过50cm 即可。
我们可以设置摆杆倾角超过一个阈值θ，θ可通过摆动半径R （R>=25cm ）直接计算出。
然后，通过开环调节，从低到高改变风机的风速，直到摆杆的角度超过阈值，记下此时PWM 波脉宽级作用时间。
图3 摆杆摆动示意图（图中红色为MPU6050)1图4 摆杆角度姿态分析图所以θ1=θ2；根据三角函数式Ld2sin =θ（60cm<L<70cm)可求出摆杆偏移中心的距d 。
要绘制50cm 直线，只需R>25cm （R 为地面运动轨迹的一半）在平面内运动即可a L R tan +=θ则）（aL Rarctan +=θ其中L 为摆杆与激光头的长度，a 为激光头到地面的距离（a<=20cm ）基本要求（2）摆动幅度可控，属于闭环控制系统，公式计算与（1）相同设置直线长度▽θ（30cm<▽θ<60cm ）MPU6050将倾角，角速度送给单片机，单片机控制风机来产生推力使摆杆摆动。