1、 I武 昌 理 工 学 院本科毕业设计(论文)题 目： 风力摆控制系统学 院: 信息工程学院专 业： 自 动 化学 号： 学生姓名： 指导教师： 二一六 年 四月 八 日II风力摆控制系统摘要本系统由微处理器 STM32，直流风机及驱动，惯性测量单元 MPU6050，OLED 显示，4X4 矩阵键盘，蜂鸣器构成。系统运行可分为两部分：风力摆的控制部分和预设值输入与显示部分。风力摆控制是由 STM32 定时器输出频率，占空比可调的 PWM 波经驱动模块之后，使直流风机的转数与 PWM 波占空比成线性关系，以此达到控制风力摆摆动的目的。预设值输入与显示是通过矩阵键盘将预设值输入到微处理器。再由处理
2、器将数据送至 OLED 上显示。MPU6050 的三轴加速度数据和三轴角速度数据，经 MCU 解算之后得到风力摆摆角，形成信号反馈回路。组成闭环控制系统。控制算法为 PI 调节。关键词：STM32F103VCT6； MPU6050；PID 控制算法。IIIWind pendulum control systemAbstractThis system is structured by microprocessor STM32, DC fan and its drive, inertial Measuring Unit MPU60510, OLED display, 4*4 rectangular
3、 keyboard, and buzzer. The operation of this system is associated with two main parts, one is wind pendulum control, and another one is default input and output. The frequency of STM32 timer andthe adjustable duty ratio of PWM go through the wave driving template make the turns of rotation of DC fan
4、 are linear with duty ratio of PWM, so thatthe wind pendulum is able to be controlled to swing. Defaults input and output are achieved by inputting the default into microprocessor, and then the microprocessor transmit data to OLED which leads the data to be displayed on OLED. After being resolved by
5、 MCU, the data of MPU6050 triaxial acceleration and the data of triaxialangular velocity will get the angle of wind pendulum, which leads toa signal feedback loop. Then the signal feedback loop consists closed-loop control system. Arithmetic is controlled by adjusting PI. Key word: STM32F103VCT6; MP
6、U6050;PIDIV目录前言 .1第一章 系统方案设计与论证 .31.1 系统整体结构 .31.2 方案简述 .31.3 电源选取 .31.4 直流风机 .31.5 三维角度传感器 .31.6 风机驱动模块 .41.7 风力摆结构 .41.8 控制算法 .4第二章 理论分析与计算 .52.1 起摆分析 .52.2 摆动固定长度 .52.3 PID 算法分析 .52.4 摆角解算 .6第三章 系统各模块电路设计 .93.1 稳压电路模块 .93.2 矩阵键盘模块 .93.3 风机驱动模块 .10第四章 软件设计流程 .11V4.1 软件结构 .114.2 软件流程简介 .114.3 显示模块初
7、始化及其界面程序分析 .114.4 MPU6050 的初始化及相关程序段分析 .15第五章 测试方案与测试结果 .185.1 测试所用仪器 .185.2 测试方案 .185.3 误差分析 .19致谢 .20参考文献 .21附录 .22第 1 页 共 45 页前言风力摆控制系统即控制做自由摆运动。自由摆是一种典型而具有代表性的运动形式，一直以来人们对单摆运动的运动规律进行了大量的研究，自由摆运行相当于是从单摆运动衍生的运动形式。风力摆系统是一个典型非线性，不稳定的系统。在经典控制理论和现代控制理论的应用是一个很具有代表性的问题。将其作为实验装置时可以测试控制理论，检验控制方法和思路。这些控制思想
8、都能广泛应用于一般工业过程控制，所以对于风力摆控制系统在控制理论的探索方面具有很重要的理论研究和实际应用价值。该系统所运用的传感器为惯性测量单元，惯性技术作为一门高科技尖端技术，它结合了机电、光学、数学、力学、控制及计算机科学的尖端技术。惯性是所有质量体的基本属性，建立在惯性原理基础上的系统不需要任何外界信息，也不会向外辐射任何信息，仅靠其系统本身就能在全天候环境下，自主的进行连续的三维定向和定位。并且能获取运载体完备的运动信息，以及具有优秀的隐蔽性。这些特点是其他导航系统所无法比拟的。运动控制系统包括的处理运动算法和信号的控制器，能增强信号、可供应执行器提供运动输出放大器；惯性测量单元检测数
9、据进行反馈，可基于输出和输入的比较值，构成闭环系统。调节器对偏差信号进行比例、积分、微分运算。微分作用加快系统动作速度，减少超调，克服振荡；积分作用消除静态误差。三种作用方式结合在一起可以达到既快速便捷，平稳准确的效果。采用这种方式构成的调节器，只需改变输入和反馈电路的内容，便能获得不同的调节规律。控制系统里的一些比较抽象的概念，反馈、稳定性、发散收敛速度和系统的抗干扰性能等，风力摆都能有很直观的表现。对于该系统典型的控制方法有，PID 控制、智能控制、模糊控制等。控制理论的研究人员将风力摆系统作为研究对象，希望开拓出新的控制方法，应用在航空航天等高科技领域。传统 8/16 位单片机，虽然在工
10、业领域中得到了广泛运用，但是现在的越来越多的工程控制产品的需求多功能、易用界面、低功耗、多任务等等一系列任务。对于这些需求，仅仅使用传统 8/16 位单片机已经不足以满足。看准了这个市场，ARM 公司推出第 2 页 共 45 页了 Cortex-M3 处理器，它对微控制器和低成本应用提出优化，具有低成本、低功耗和高性能的特点，能够满足工程师进行创新设计的需求。意法半导体公司推出了基于 Cortex-M3 内核 32 位的微控制器 STM32,相对于ARM7、ARM9 这类速度更快的 32 位来说，采用最合适的内核构架以及独特的开发方式。它具有性价比高和易于开发两个优势。这导致 STM32 一上
11、市就以非常快的速度占据了中低端微控制器的市场。STM32 的有两种开发方式。一种是与传统单片机开发方式相同的寄存器开发，就是通过对微处理器的进行直接的读写操作。使用这种方式需要对微处理器的底层寄存器以及外围电路有很深的理解。而且由于 STM32 的寄存器种类和数量都要比传统单片机多得多，故使用寄存器开发方式有比较高的门槛。这种方式的优点也十分明显，它十分贴近物理电路层面，这样设计出的系统，其稳定性、可靠性以及运行速度都要好得多。另外一种开发方式是库函数开发。这是一种自顶而下的方式刚好与前一种方式相反，可以从上层的 API 一层一层跟踪到底层寄存器，从而彻彻底底的了解寄存器，了解 CPU的内存分
12、布，再到启动代码、开发环境设置等等。这种方式大大的降低了学习开发STM32 的门槛，让初学者能够快快速上手，仅通过调用库里的 API（应用程序接口）就能够实现一个大型程序的搭建。做出能满足各种用户需求的应用。第 3 页 共 45 页第一章 系统方案设计与论证1.1 系统整体结构主主主主STM32F103VCT6主主主主主主主主主主主主主4X4主主OLED主主主主主主主MPU6050主主主主主主主图 1 系统整体框图1.2 方案简述本系统以超低功耗 MCUSTM32F103VCT6 为控制核心，风力摆采用万向节、碳素纤维管、四个直流风机构成。MCU 输出 PWM 波经过直流电机驱动控制四个风机转
13、动，使风力摆获得摆动动力。MPU6050 的三轴加速度数据和三轴角速度数据，经 MCU 解算之后得到风力摆摆角，形成信号反馈回路。组成闭环控制系统。1.3 电源选取自制稳压源，电源电压稳定，上电即可用，能省掉系统校准的麻烦，自制稳压源采用 78 系列稳压芯片，最大输出电流为 3A，但对该项目而言，4 个直流风机转动时，电流过大。自制稳压源并不能满足要求。采用兆信 KXN3030B 直流稳压电源，最大电压可达到 30V，最大输出电流能到达 30A，能提供四个风机转动所需电流，电压稳定性也可满足要求。1.4 直流风机采用通用小型轴流风机，12V 直流供电，轻巧。但功率不大，风力太小，并不能让风力摆
14、在短时间内达到题目所需要的摆动长度。采用小型涵道有刷风机，涵道风机属第 4 页 共 45 页于高速轴流风机， 12V 直流供电，风机产生风力能有效使风力摆摆动。能满足要求。1.5 三维角度传感器采用 L3GD20 三轴陀螺仪，能测量三轴角速度。如果在此使用还需再另外加载一个三轴加速度计，而采用微处理单元 MPU6050。该芯片包含三轴加速度计及三轴陀螺仪，外围电路设计简单，采用 IIC 通信协议，具有量程大，精度高，功耗低等特点。完全满足题目要求且具备更优的性能。1.6 风机驱动模块采用 L298N 电机驱动模块，最大工作电压为 50V，最高电流 4A，一个芯片能驱动两个直流电机。对于本系统来
15、说，4A 电流供两个电机工作有点勉强，调节裕度太小。而采用 BTN7971 的驱动模块，驱动板工作电压范围：7V14V，最大电流能达到 60A，能满足题目要求。且调节裕度很大。1.7 风力摆结构一组 4 个直流风机用粗单股导线吊挂在支架上，摆动阻力小，受力更均匀，但单股导线在画圆时必然产生自旋，加大了系统的控制难度。如果用一组 4 个直流风机用碳素纤维管通过万向节固定在支架上，由于碳棒和万向节是刚体，在控制过程中不会遇到自旋的问题，万向节摆动时阻力只比粗导线略大，对摆动影响不大。1.8 控制算法采用模糊控制算法，模糊控制算法是对手动操作者的手动控制策略、经验的总结.模糊控制算法有多种实现形式,应用最早、最广泛的是查表法,查表法可大大提高模糊控制的时效性,节省内存,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。 如果采用 PID 算法，按比例（P） 、积分（I） 、微分（D）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 MCU 的资源和运算时间。
