风力摆控制系统设计

摘要：本次风力摆控制系统设计，采用4个直流风机垂直挂在长约70cm的细管下方，直流风机下方固定一个激光笔，当风力摆受控制按一定规律运动时，激光笔在地上画出相应的轨迹。本设计以STC15W4K32S4系列的芯片作为主控芯片，采用LM298模块作电机驱动，通过单片机控制其输入占空比获得不同高低电平，达到对电机转速的控制。空间角度测量中，本设计采用MPU-6050陀螺仪对空间角度进行准确追踪，精度高。最终可将所测部分数据传输到LCD12864显示出来。关键字：STC15W4K32S4单片机轴流风机陀螺仪

一、设计任务

设计一测控系统，控制驱动各风机使风力摆按照一定规律运动，激光笔在地

面画出要求的轨迹。

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±2.5cm，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±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°~60°)放开，5s内使风力摆制动达到静止状态。

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。

二、方案论证

基于本次风力摆控制系统的设计，我们有如下几种方案：

方案一：采用传统的51单片机做主控芯片，其体积小，价格便宜，控制简单，但其运算速度慢，内部存储容量小，难以存储大体积的程序和实现快速精准的反应控制。其采用的是12MHz时钟，受其限制，计时精度低，且其内部资源少，不适合本次需要多路PWM控制电机转速，且精度和运算速度要求高的设计。

方案二：采用STC15W4K32S4系列的单片机作主控芯片，控制PWM脉宽调制从I/O口输出不同占空比的脉冲，经滤波后获得不同高低电平控制电机，从而达到控制电机转速的效果。该系列芯片可控制多路PWM脉宽调制，且具有大容量4K字节SRAM，内部有时钟电路和复位电路，不需要外接，减轻了外围电路的复杂性，且其运算速率高，精度大，适于控制精度和速率要求大的陀螺仪等模块。

方案三：采用STC15W4K32S4系列单片机作主控芯片，通过D/A变换电路将数字量转换成控制电机电压的模拟量。再利用电平的高低达到调速的目的。本方案达到了利用CPU输出的数字量精确控制模拟量的目的。但D/A变换电路复杂，且整体设计成本较高。

经过以上分析，我们发现方案二电路设计相对简单，且控制速率快，精度高，成本低，考虑到这些，我们选择该方案进行设计。其流程框图如下：

图1 流程框图

三、理论分析与计算

3.1设计原理

本系统硬件主要有陀螺仪传感、四个轴流风机、电源供电模块、摆杆及支架构成。STC15W4K32S4作为系统的控制核心，陀螺仪传感器对摆杆的运行状态数据进行实时采集并反馈回单片机，产生的控制量作用于电路从而实现对四个轴流风机转速及转向的控制。四个轴流风机产生空气推力进而实现对摆杆的控制。硬件框图如下图2所示。

图2 硬件结构

3.2理论分析

1.STC15W4K32S4系列芯片

本次主控芯片采用STC15W4K32S4系列芯片，该芯片运行速度较传统的单片机快，ISP编程时5MHz~35MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振和复位电路，省去了普通单片机制作最小系统时外部电路的设计。此外，该系列单片机具有大容量程序存储器，且内部资源丰富，具有8路10位PWM，8路高速10位A/D转换，4组独立的高速异步串行通信端口SPI，是宽电压、高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机。

STC15W4K32S4系列单片机如下图3所示：其中包含中央处理器（CPU）、程序存储器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定时器/计数器、掉电唤醒专用定时器、I/O口、高速A/D转换、比较器、看门狗、UART高速异步串行通信口1、串行口2、串行口3、串行口4、CCP/PWM/PCA、高速同步串行通信串口SPI、片内高精度R/C时钟及高可靠复位等模块。STC15W4K32S4系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需要的所有单元模块，是一个真正的片上系统。

图3 STC15W4K32S4系列单片机

2.电机速度控制

本次设计的电机驱动模块采用LM298来驱动4个风机的转速，通过PWM 脉冲宽度调制来调节电机的转速。

LM298内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器。内部含有两个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V，2A以下电机。具有控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小等特点。

PWM即脉冲宽度调制技术，通过改变接通脉冲宽度，使直流电机电枢上的电压的“占空比”改变，从而改变电枢电压的平均值，控制电机的转速。

占空比定义：输出的PWM中，高电平保持的时间与该PWM的时钟周期的时间之比。

该调速系统具有以下特点：

（1）电路简单，所用功率原件少，且工作于开关状态，因此电路的导通损耗小，装置效率比较高。

（2）采用功率较小的低惯量电机时，具有高的定位速度和精度。

（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽。

（4）系统频带宽，动态响应好，抗干扰能力强。

3.MPU-6050模块

本设计采用高精度的陀螺加速度计MPU-6050，通过处理器读取MPU-6050的测量数据然后通过串口输出，免去了用户自己去开发MPU-6050复杂的I2C协议，同时精心的PCB布局和工艺保证了MPU-6050收到外接的干扰最小，测量的精度最高。模块内部自带电压稳定电路，可以兼容3.3V/5V的嵌入式系统，连接方便。模块保留了MPU-6050的I2C接口，以满足高级用户希望访问底层测量数据的需求，采用先进的数字滤波技术，能有效降低测量噪声，提高测量精度。模块内部集成了姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，能够在动态环境下准确输出模块的当前姿态，姿态测量精度0.01 度，稳定性极高，性能甚至优于某些专业的倾角仪！

MPU-6050模块连接上位机可输出加速度、角速度以及角度，其中加速度计算公式为：

a x =((AxH<<8)|AxL)/32768*16g(g 为重力加速度，可取9.8m/s²)

a y =((AyH<<8)|AyL)/32768*16g(g 为重力加速度，可取9.8m/s²)

a z =((AzH<<8)|AzL)/32768*16g(g 为重力加速度，可取9.8m/s²)

其温度计算公式：

T=((TH<<8)|TL) /340+36.53 ℃

其校验和：

Sum=0x55+0x51+AxH+AxL+AyH+AyL+AzH+AzL+TH+TL

角速度计算公式为：

w x =((wxH<<8)|wxL)/32768*2000(°/s)

w y =((wyH<<8)|wyL)/32768*2000(°/s)

w z =((wzH<<8)|wzL)/32768*2000(°/s)

其温度计算公式：

T=((TH<<8)|TL) /340+36.53 ℃

其校验和：

Sum=0x55+0x52+wxH+wxL+wyH+wyL+wzH+wzL+TH+TL

角度计算公式为：

滚转角（x 轴）：

Roll=((RollH<<8)|RollL)/32768*180(°)

俯仰角（y 轴）：

Pitch=((PitchH<<8)|PitchL)/32768*180(°)

偏航角（z 轴）：