風力擺控制系統（B 題）摘要:本系統為由 STM32 單片機控制模塊、姿態采集模塊、風力擺模塊、液晶顯示模塊、人機交互系統以及風力擺機械結構組成的閉環控制系統。MPU6050 采集風力擺姿態角，單片機處理姿態角數據后通過 PID 精確算法調節直流風機以控制風力擺。 本系統實現了風力擺在僅受直流風機為動力控制下快速起擺、 畫線、恢復靜止的功能，并能準確畫圓，且受風力影響后能夠快速恢復畫圓狀態，具有很好的魯棒性。另外，本系統具有良好的人機交互界面，各參數及測試模式可由按鍵輸入并通過液晶顯示，智能性好，反應速度快。關鍵詞：PID 算法 MPU6050 STM32單片機 人機交互1 系統方案本風力擺控制系統主要包括單片機控制模塊、電源模塊、姿態采集模塊、風力擺模塊、液晶顯示模塊、人機交互系統以及風力擺機械結構組成。風力擺由萬向節連接碳桿再連接風機組成。位于碳桿最下方的姿態采集模塊不斷采集風力擺當前姿態角，并返回單片機。單片機控制液晶顯示姿態角數據并處理數據后通過控制 PWM 波占空比控制風機轉速，實現對風力擺的控制。本系統結構框圖如圖 1所示。圖1 系統總計結構框圖1.1處理器選擇方案方案一：采用傳統的51系列單片機。傳統的51單片機為8位機，價格便宜，控制簡單，但是運算速度慢，片內資源少，存儲容量小，難以存儲大體積的程序和實現快速精準的反應控制。并且受時鐘限制，計時精度不高，外圍電路也增加了系統的不可靠性。方案二：采用以增強型80C51內核的STC系列單片機STC12C5A60S2，其片內集成了60KB程序Flash，2通道PWM、16位定時器等資源，操作也較為簡單，具有在系統調試功能（ISD），開發環境非常容易搭建。但實際使用了三維角度傳感器等對速度要求較高的外設，因此無法很好地符合設計的需要。方案三：采用以ARM Cortex-M3為內核的STM32F1系列控制芯片，STM32系列芯片時鐘頻率高達72MHz，具有64K字節SRAM，512K字節的FLASH容量，具有極強的處理計算能力。較為適合需要快速反應的控制系統。通過比較，我們選擇方案三，采用STM32F3系列單片機STM32F103ZET6作為控制器1.2風力擺運動控制方案的選擇與論證方案一：采用 2 只直流風機作為動力系統。采用 2 只風機并排同向而立，分別位于擺桿兩側，通過控制風機轉速控制風力擺使激光筆畫線畫圓。此方案風力擺負載輕，但風力擺擺動過程中狀態微調和快速靜止不易實現。方案二：采用 3 只直流風機作為動力系統。三只風機為等邊三角形三邊，相背而立，互成 120夾角。此方案相對于方案二在控制風力擺轉動過程中狀態微調方面有提升，但自成三角形，相鄰兩風機夾角過大，依舊不利于精確控制風力擺狀態。方案三：采用 4 只直流風機作為動力系統。四只風機取一邊靠于擺桿，朝向成順時針排列，通過控制四只風機轉速控制風力擺當前狀態。此方案風力擺負載最重，但對于控制風力擺狀態最為精確，且動力最足。綜合上述比較，考慮系統的快速工作以及精確控制，本系統采用方案三。1.3電機速度控制方案方案一：采用D/A變換電路將數字量轉換成控制電機電壓的模擬量。再利用電平的高低達到調速的目的。原理框圖如圖1所示。本方案達到了利用CPU輸出的數字量精確控制模擬量的目的。但原電路比較復雜，成本較高。 方案二：采用脈寬調制方式（PWM）從I/O口輸出不同占空比的脈沖，經濾波后獲得不同高低電平控制電機。本方案可以達到對速度的控制要求，且控制簡單易實現。 通過比較明顯方案二最單潔清晰、容易實現、速度快、精度高。從系統指標要求來看，對速度要求較高，低速與高速之間差別較大，且準確度要求高，各個速度之間的切換也要求簡單、迅速。采用方案二可利用單片機運行速度快的特點進行速度的快速調整，且方案二速度準確度高、級數多容易達到系統指標要求，所以我們選用方案二作為控制部分具體實施的方案。1.4電機驅動方案方案一：采用自搭接的H橋電路選用大功率達林頓管或場效應管自制H橋電路，電路原理簡單，具有高效，低功率等特點，但是性能不夠穩定，電路調試復雜。方案二 采用芯片L298驅動電機，用單片機控制L298的輸入使之工作在占空比可調的開關狀態，精確調整電動機轉速。 電子開關的速度很快， 穩定性也極強。 但驅動電流小，無法驅動更大功率的電機，限制了其應用范圍。綜合以上分析，電機驅動芯片L298N電路設計簡單、抗干擾能力強、可靠性好，所以選擇方案二1.5 電源方案的論證與選擇方案一：使用單電源接自制線性直流穩壓源模塊。單電源同時給控制系統和風機供電，方案簡單易操作。但風機轉動過程中不僅會給電源帶來紋波，而且產生反電壓容易使單片機被燒毀。且單電源工作負載大，耗電快。方案二：采用雙電源供電。風機驅動電源和控制電源分開，控制電機部分通過光耦隔離。電機使用 12V 鋰電池供電，單片機控制系統用另一塊電池接線性姿態采集模塊人機交互系統風力擺模塊單片機系統液晶顯示模塊。直流穩壓源模塊供電。此方案可確保系統的穩定性，且滿足了系統對供電需求。綜合上述比較，考慮系統的安全性、穩定性以，本系統采用方案二。1.5 角度測量方案的選擇與論證方案一：只測量風力擺關于靜止狀態時的偏轉角。采用二維平面內角位移傳感器測量風力擺轉動時關于靜止狀態時的偏轉角， 通過控制該偏轉角實現對流風機的控制。該方案軟件處理繁瑣，且二維平面內的角位移傳感器不利于測量風力擺的空間位置，不利于實現對風力擺的精確控制。方案二：選用雙軸傾角傳感器模塊 LE-60-OEMLE-60-OEM，測量重力加速度變化，轉為傾角變化，可測量雙向。具有穩定性高、低功耗、結構簡單等優點。響應速度為 5Hz。它可以測量平衡板與水平方向的夾角，x,y 方向可以測，但 z軸不可測。且操作復雜，軟件處理難度大。方案三： 采用三維角度傳感器。 用三維角度傳感器時刻測量風力擺當前姿態，通過處理采集的姿態角數據控制風機帶動風力擺運動。 此方案可精確測量風力擺當前姿態，實現對風力擺的精確控制。綜合比較以上兩個方案，本系統選擇方案三。1.7控制算法的選擇方案一：采用模糊控制算法, 模糊控制有許多良好的特性,它不需要事先知道對象的數學模型,具有系統響應快、超調小、過渡過程時間短等優點，但編程復雜，數據處理量大。方案二：采用PID算法，按比例、積分、微分的函數關系,進行運算,將其運算結果用以輸出控制。優點是控制精度高,且算法簡單明了。對于本系統的控制已足夠精確，節約了單片機的資源和運算時間。綜合比較以上兩個方案，本系統選擇方案二。2系統理論分析與計算2.1 風力擺狀態的測量與計算采用高精度的陀螺加速度計MPU6050不斷采集風力擺姿態角數據。MPU6050 集成了 3 軸 MEMS 陀螺儀，3 軸 MEMS 加速度計，以及一個可擴展的數字運動處理器DMP。MPU6050 和所有設備寄存器之間的通信采用 400kHz的I2C 接口，實現高速通信。且內置的可編程卡爾曼濾波器，采用最優化自回歸數據處理算法精確測量風力擺當前姿態角。MPU6050對陀螺儀和加速度計分別用了三個 16 位的 ADC，將其測量的模擬量轉化為可輸出的數字量，通過 DMP處理器讀取測量數據然后通過串口輸出。2.2 風力擺運動控制的分析風力擺采用4只45W 的直流風機為動力驅動系統。姿態采集模塊采集風力擺當前姿態角，單片機處理姿態角信息調節輸出 PWM 的占空比，控制四只風機的工作狀態，從而實現對風力擺的控制。2.3 控制算法的分析本系統采用 PID 算法來控制風機轉動的速度。風機開始工作后，姿態采集模塊不斷采集當前風力擺姿態角狀態，并與之前的狀態比較，使得風力擺的運動狀態逐漸趨向于平穩。PID 算法控制器由舵機轉動角度比例 P、角度誤差積分 I和角度微分 D 組成。其輸入 e (t）與輸出 U (t）的關系為：Ut=P*et+1I0tetdt+D*de(t)dt它的傳遞函數為：Gs=U(s)E(s)=P*1+1I*s+D*s風力擺轉動角度比例 P：對風力擺角速度進行比例調整，即對舵機轉動速度調整。比例越大，調節速度越快。但不能過大，過大可能造成四風機因工作狀態突變而是擺桿不穩定。角度誤差積分 I： 使系統消除穩態誤差,提高無差度。加入積分調節可使系統穩定性下降,動態響應變慢。本系統追求更快更穩完成對風力擺的控制，因此，本系統對積分調節的需要就非常弱。即保證在不需要時系統不會受到影響。角度微分 D：微分作用反映風力擺角度的變化率，即角速度。具有預見性，能預見偏差變化的趨勢因此能產生超前的控制作用,在偏差還沒有形成之前,已被微分調節作用消除。因此,可以改善系統的動態性能。在微分時間選擇合適情況下,減少調節時間。3電路與程序設計3.1 系統程序流程設計本系統采用三個獨立按鍵輸入各參數及測試模式， 系統開機啟動進入系統初始化界面，按下指定按鍵后進入菜單選擇界面，菜單選擇界面有 6 個功能：分別對應題目基本要求和發揮部分 6 點，通過按鍵可以選擇進入相應的功能，功能執行完畢后系統回到菜單選擇界面，繼續等待按鍵輸入執行相應的功能。系統程序流程圖如圖2所示。此處添加軟件的流程圖圖2 系統程序流程圖3.1 電源電路設計3.2 電機驅動電路設計3.2 角位移傳感器輸出電路設計此處添加角度位移傳感器電路4系統測試4.1 測試儀器（1）秒表（2）量角器（3）自制方向角度圖紙4.2 測試方案及結果4.2.1 驅動風力擺工作，使激光筆穩定地在地面畫出一條長度不短于 50cm的直線段，來回4次，記錄其由靜止至開始自由擺時間及最大偏差距離。測試結果如表 1 所示。表 1 風力擺畫長于 50cm 直線測試時間誤差1誤差2誤差3誤差4第一次測試第二次測試第三次測試4.2.2 設置風力擺畫線長度，驅動風力擺工作，記錄其由靜止至開始自由擺時間及在畫不同長度直線時來回4次的時間以及偏差距離。測試結果如表 2 所示。表 2 風力擺畫不同長度直線測試時間誤差1誤差2誤差3誤差4畫30cm直線畫40cm直線畫50cm直線畫60cm直線5總結本次電子設計大賽所設計的作品能夠達到用STM32單片機實現PWM輸出以及對用PWM實現對直流電機的成功控制，實現了風力擺系統中的最基本也是最核心的部分。本系統最大的亮點有：在軟件方面，（1）使用PWM控制技術結合PID算法實現對風力擺系統的閉環控制，并成功實現了本次比賽中基礎部分的第一和第二項要求；（2）采用IIC通信協議實現單片機與角度傳感器的通信，大大提高通信速度；在硬件方面，（1）采用系統模塊化，易于實現對硬件的各個功能的調試以及提高系統可靠性； （2）采用數電與模電的隔離，避免干擾，系統系統的可靠性。6參考文獻1 童詩白,華程英.模擬電子技術基礎（第四版）M.北京:高等教育出版社,2009.2 閻石.數字電子技術基礎（第五版）M.北京:高等教育出版社,20