PAGEPAGEII風力擺控制系統（B題）【本科組】2015年8月15日摘

要

在當今的現代化社會，科技發展迅速，尤其是單片機技術的開發、發展以及應用，出現了眾多基于單片機技術而研發的產品，為我們的生活提供了極大的方便。

本作品基于AT89S52單片機設計的風力擺控制系統，設計選用AT89S52單片機為主控芯片，由風力擺姿態檢測、算法處理、空心杯電機控制和液晶顯示等部分組成，以完成風力擺控制的功能，設計的重點在于運動控制的準確性以及盡量縮短達到規定的運動狀態的時間。運用mpu6050六軸陀螺儀實時獲取風力擺的運動姿態，單片機處理姿態角數據后通過PID精確算法調節空心杯電機以控制風力擺。

本系統實現了風力擺在僅受空心杯電機為動力控制下迅速起擺、畫線、恢復靜止的功能，并能準確畫圓。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。關鍵詞：風力擺控制；

AT89S52；mpu6050六軸陀螺儀；

精確；

迅速目錄摘要……………………..…………Ⅰ一、系統方案 11、控制器模塊的論證與選擇 12、角度檢測方法的論證與選擇 13、風機的論證與選擇 2二、系統理論分析與計算 21、卡爾曼濾波算法 22、風力擺運動控制的分析 33、PID算法 3三、電路與程序設計 41、電路的設計 4（1）系統總體框圖 4（2）電路原理圖 5（3）電源 52、程序的設計 5（1）程序功能描述與設計思路 5（2）程序流程圖 6四、測試方案與測試結果 61、測試方案 62、測試條件與儀器 63、測試結果及分析 7（1）測試結果(數據) 7（2）測試分析與結論 8五、結論與心得 8六、參考文獻 8PAGEPAGE12風力擺控制系統（B題）【本科組】一、系統方案本系統主要由單片機模塊、電源模塊、風力驅動模塊、液晶顯示模塊、mpu6050六軸陀螺儀傳感器模塊以及風力擺機械結構組成，下面分別論證部分模塊的選擇。1、控制器模塊的論證與選擇根據題目要求，控制器主要用于傳感器信號的接收與辨認，控制電機轉動，顯示實時角度等。對控制器的選擇有以下兩種方案：

方案一：采用FPGA作為系統的控制器。FPGA可以實現各種復雜的邏輯功能，規模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩定性，并且可應用EDA軟件仿真、調試，易于進行功能擴展。FPGA采用并行的輸入輸出方式，提高了系統的處理速度，適合作為大規模實時系統的控制核心。由檢測模塊輸出的信號并行輸入FPGA，FPGA通過程序設計控制監控系統作出相應的動作，但由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線布線復雜，加重了電路設計和實際焊接的工作。

方案二：采用ATMEL公司的AT89S52作為系統控制器的CPU方案。單片機AT89S52是一種帶8K字節內嵌可編程閃存的低功耗高性能的八位微控制器,看門狗定時器,雙數據指針,3個16位定時/計數器,6個兩級中斷源結構,以及掉電模式下的自動保存功能，且軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現各種算法和邏輯控制，符合本系統的要求。綜合以上兩種方案，選擇方案二。2、角度檢測方法（捕獲擺桿的姿態反饋單片機）的論證與選擇方案一：采用MMA7455加速度傳感器檢測平臺傾角。其核心為飛思卡爾公司的MMA7455L數字三軸加速度傳感器，它體積小，工作可靠。但其8位模式還是限制了其測量精度，在測量微小的角度變化上存在誤差。方案二：采用電位器檢測擺桿傾角。用電阻分壓方式可以實現電位器對角度變化的感應，但必須經過模數轉換才能將信號傳給處理器處理。此時，電位器的靈敏度和模數轉換器的精度都會對測量結果產生直接影響，誤差一般很大。方案三：mpu6050六軸陀螺儀傳感器。mpu6050六軸陀螺儀傳感器容易實現對角度的測量，而且靈敏度非常高，mpu6050六軸陀螺儀的角速度全格感測范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec(dps)，可準確追緃快速與慢速動作。移除加速器與陀螺儀軸間敏感度，降低設定給予的影響與感測器的飄移。數字運動處理(DMP:DigitalMotionProcessing)引擎可減少復雜的融合演算數據、感測器同步化、姿勢感應等的負荷。內建之運作時間偏差與磁力感測器校正演算技術，免除了客戶須另外進行校正的需求。而且最大的特點是本身是最小最薄包裝圖1mpu6050六軸陀螺儀傳感器實物圖圖2mpu6050芯片綜合以上三種方案，選擇方案三。3、風機的論證與選擇方案一：采用小型直流風機。調速性能好、控制簡單，功率因數高，損耗小，逆變器容量低，因此逆變器成本低；但由于其體積較大，很占用地方，并且重量較大，不容易擺動。方案二：采用空心杯電機。所需電壓小，體積和質量小，容易控制，能在較短時間內是風力擺擺動和制動。轉動速度快，配上螺旋槳能夠達到較大風力，足以使風力擺擺的幅度符合要求。圖3左：空心杯右：小型直流風機二、系統理論分析與計算1、卡爾曼濾波算法現設線性時變系統的離散狀態方程和觀測方程為：X(k)=F(k,k-1)·X(k-1)+T(k,k-1)·U(k-1)Y(k)=H(k)·X(k)+N(k)其中X(k)和Y(k)分別是k時刻的狀態矢量和觀測矢量F(k,k-1)為狀態轉移矩陣U(k)為k時刻動態噪聲T(k,k-1)為系統控制矩陣H(k)為k時刻觀測矩陣N(k)為k時刻觀測噪聲則卡爾曼濾波的算法流程為：1.預估計X(k)^=F(k,k-1)·X(k-1)2.計算預估計協方差矩陣C(k)^=F(k,k-1)×C(k)×F(k,k-1)'+T(k,k-1)×Q(k)×T(k,k-1)'Q(k)=U(k)×U(k)'3.計算卡爾曼增益矩陣K(k)=C(k)^×H(k)'×[H(k)×C(k)^×H(k)'+R(k)]^(-1)R(k)=N(k)×N(k)'4.更新估計X(k)~=X(k)^+K(k)×[Y(k)-H(k)×X(k)^]5.計算更新后估計協防差矩陣C(k)~=[I-K(k)×H(k)]×C(k)^×[I-K(k)×H(k)]'+K(k)×R(k)×K(k)'6.X(k+1)=X(k)~C(k+1)=C(k)~重復以上步驟2、風力擺運動控制的分析風力擺采用4只20W的空心杯電機為動力驅動系統。陀螺儀傳感器模塊采集風力擺當前角度，單片機處理角度信息調節輸出PWM的占空比，控制四只電機的工作狀態，從而實現對風力擺的控制。3、PID算法本系統采用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：它的傳遞函數為：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。三、電路與程序設計1、電路的設計（1）系統總體框圖系統總體框圖如圖1所示，單片機控制電機驅動，是特定直流電機啟動，再經過陀螺儀傳感器將位置角度反饋給單片機，以實現控制方向的目的。LCD12864顯示 LCD12864顯示單片機電機驅動按鍵按鍵mpu6050六軸陀螺儀傳感器mpu6050六軸陀螺儀傳感器（擺桿）直流電機圖4系統總體框圖（2）電路原理圖圖5L298N電機驅動原理圖圖6最小系統原理圖（3）電源電源由變壓部分、濾波部分、穩壓部分組成。為整個系統提供5V或者12V電壓，確保電路的正常穩定工作。這部分電路比較簡單，故不作詳述。2、程序的設計在單片機控制系統中，大體上可分為數據處理、過程控制兩個基本類型。數據處理包括：數據的采集、數字濾波、標度變換等。過程控制程序主要是使單片機按一定的方法進行計算，然后再輸出，以便控制。（1）程序功能描述與設計思路1、程序功能描述讀陀螺儀傳感器角度并計算、控制L298n驅動、控制擺桿擺動狀態、液晶顯示、鍵盤控制、數據匯總并作出判斷。1）從靜止開始，15s內使激光筆在地面畫出一條長度不短于50cm的直線段。2）從靜止開始，15s內畫出一條長度可設定（30~60cm）的直線段。3）從靜止開始，15s內按照設置的方向擺動，畫出不短于20cm的直線段。4）將風力擺拉起一定角度（30°~45°）放開，5s內使風力擺制動達到靜止狀態。5)以風力擺靜止時激光筆的光點為圓心，驅動風力擺用激光筆在地面畫圓（圓半徑15~35cm），30s內需重復3次。2、程序設計思路1）用按鍵控制五個程序功能的切換。2）將陀螺儀傳感器發送過來的姿態角度通過單片機的計算后，執行相應的程序，控制相應的電機驅動。3）同時用液晶顯示相應信息，達到很好人機交互效果。（2）程序流程圖本系統采用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顯示界面，菜單選擇界面有5個功能：分別對應題目基本要求和發揮部分5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按鍵回到菜單選擇界面，繼續等待按鍵輸入執行相應的功能。開始主程序流程圖開始初始化初始化是否按鍵是否按鍵在5s內由運動變為靜止畫圓直線段方向可設定≥20在5s內由運動變為靜止畫圓直線段方向可設定≥20cm直線段30~60cm長度可設定15s內畫出直線段≥50cm程序更新程序更新圖7主程序流程圖四、測試方案與測試結果1、測試方案1）硬件測試：測試機械部分能否正常工作，各項參數是否準確。同時，檢查電路焊接是否正確，各部分接線是否正確。2）軟件仿真測試：用Multisim軟件對電路進行仿真3）硬件軟件聯調：用實現的編程算法控制硬件系統進行工作。檢測整個系統是否實現各項要求。2、測試條件與儀器測試條件：檢查多次，機械部分必須正常工作且參數正確。仿真電路和硬件電路必須與系統原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：量角器、尺子、秒表。3、測試結果及分析測試結果時間/s誤差1誤差2誤差3誤差4誤差5第1次測試第2次測試第3次測試1）使激光筆在地面穩定地畫出一條長度不短于50cm的直線段。來回5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所示表一風力擺畫長于50cm直線測試時間/s誤差1誤差2誤差3畫30cm直線畫40cm直線畫50cm直線畫60cm直線2）使激光筆在地面畫出一條長度可設定（30~60cm）的直線段，記錄其由靜止至開始自由擺時間及在畫不同長度直線時的最大偏差距離。測試結果如表2所示。表2風力擺畫不同長度直線測試3）按照設置的方向擺動，記錄其由靜止至開始自由擺時間及在畫不同角度直線時的最大偏差距離。測試結果如表3所示。時間/s誤差1誤差2誤差3畫0°直線畫45°直線畫90°直線畫135°直線表3風力擺畫不同角度直線測試拉起30°拉起35°拉起40°拉起45°時間（1）/s時間（2）/s時間（3）/s4）將風力擺拉起一定角度（30°~45°）放開，測試風力擺制動達到靜止狀態所用時間。測試結果如表4所示。表4風力擺恢復靜止測試5）以風力擺靜止時激光筆的光點為圓心，驅動風力擺用激光筆在地面畫圓，記錄其畫三次圓所用時間以及最大偏差距離畫圓第1次第2次第3次半徑/cm最大偏差/cm時間/s表5風力擺畫圓測試測試分析與結論根據上述測試數據，該系統滿足各項基本要求，由此可以得出以下結論：1）mpu6050六軸陀螺儀傳感器作為角度傳感器使用精確，靈敏度高，