1、2015年全國大學生電子設計競賽風力擺控制系統（b題）【10組】2015年8月15日摘 要 本風力擺控制系統，主要包括控制模塊、電機及驅動模塊、角度測量模塊、顯示模塊、電源模塊及人機交互模塊。其中控制模塊主要由msp430f149型單片機構成，電機及驅動模塊主要由直流風機和l298n構成，角度測量模塊以mpu6050為核心。支架和擺桿之間由萬向節連接，擺桿可繞連接點在半個球體的空間范圍內轉動。空間角度由mpu6050測量得到，并可通過模塊自帶的串口輸出數字信號。msp430f149接收到信號后，經過處理，由液晶顯示屏顯示出風力擺的擺動角度，并通過pid算法控制直流風機的轉速，構成閉環系統。本系

2、統可通過試驗得到經驗規律，控制風力擺使其做阻尼振動或類圓錐擺運動。關鍵詞：風力擺 pid算法 msp430f149 mpu6050abstractthe wind pendulum control system, including control module, motor and driver module, angle measurement module, display module, power module and human-computer interaction module. the control module is composed of msp430f149 typ

3、e single chip microcomputer, and the motor and the driving module are mainly composed of dc fan and l298n, and the angle measurement module is mpu6050 as the core. the connecting rod is connected with a universal joint, and the pendulum rod can rotate around the connecting point in the space of the

4、half sphere. the space angle is obtained by mpu6050 measurement, and the serial output digital signal can be obtained through the module. after the signal is received by msp430f149, it is processed by the liquid crystal display, and the swing angle of the wind pendulum is displayed by the pid algori

5、thm. this system can be used to get the experience rule, and control the wind force to make it to be a damped vibration or a kind of conical pendulum motion.key words:wind pendulum pid algorithm msp430f149 mpu6050目 錄1系統方案11.1 風力擺運動控制方案的論證與選擇11.2 控制模塊的論證與選擇21.3 電機及驅動模塊的論證與選擇21.4 角度測量模塊的論證與選擇21.5 控制算法

6、的論證與選擇32系統理論分析與計算32.1 風力擺狀態的測量與計算32.2 風力擺運動控制的分析32.3 控制算法的分析43電路與程序設計43.1電路的設計43.1.1控制模塊電路設計43.1.2電機及驅動模塊電路設計43.1.3角度測量模塊電路設計53.1.4電源電路設計53.2程序的設計53.2.1程序功能描述與設計思路53.2.2程序流程圖（詳見附件1.2）54測試方案、結果與分析64.1測試儀器64.2 測試方案及結果64.2.1 基礎部分一64.2.2 基礎部分二64.2.3 基礎部分三64.2.4 基礎部分四74.3 測試分析與結論75參考文獻7附錄19附1.1 電路原理圖9附1.

7、1.1 控制模塊電路圖9附1.1.2 電機及驅動模塊電路圖9附1.1.3 顯示模塊電路圖10附1.2 程序流程圖11附1.2.1 主程序流程圖11附1.2.2 子程序流程圖11附錄2：源程序13附2.1 模式選擇主程序13附2.2 風力擺運動控制子程序13風力擺控制系統（b題）【10組】1系統方案本系統主要由控制模塊、電機及驅動模塊、角度測量模塊、顯示模塊、電源模塊組成。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。單片機控制液晶屏顯示姿態角數據，并通過調節pwm 波的占空比來控制風機轉速，實現對風力擺的控制。以下是系統總體框圖。圖

8、1系統總體框圖1.1 風力擺運動控制方案的論證與選擇方案一：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

9、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。1.2 控制模塊的論證與選擇方案一：選擇atmega32單片機進行系統的控制。atmage32型單片機作為主控cpu，其主要特點為高性能、低功耗、高性價比、資源豐富，并且支持高級語言編程，但價格較貴，操作相對復雜。方案二：選擇msp430f149單片機進行系統的控制。msp430f149型單片機作為主控cpu，其主要特點為處理能力強、運算速度快、超低功耗、片內資源豐富，以及方便高效的開發環境。綜合考慮采用方案二。1.3 電機及驅動模塊的論證與選擇方案一：使用步進電機。步進電機具有良

10、好的控制性能。當給步進電機輸入一個電脈沖信號時，步進電機的輸出軸就轉動一個角度，因此可以實現精確的位置控制。但步進電機的驅動相對較復雜，要由控制器和功率放大器組成且成本較高。方案二：使用直流風機與l298n，直流風機具有良好的調速性能，控制起來也比較簡單。直流風機只要通上直流電源就可連續不斷的轉動，調節電壓的大小就可以改變風機的轉速。常用的驅動方式是pwm方式，即脈沖寬度調制方式，此方法性能較好，需要配合l298n一起使用，電路和控制都比較簡單。綜合考慮采用方案二。1.4 角度測量模塊的論證與選擇方案一：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

11、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。方案二：mpu-6050為全球首例整合性6軸運動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少了大量的包裝空間。這種傳感器輕巧靈敏，可由串口直接讀取角度數據，使用方便。綜合考慮采用方案二。1.5 控制算法的論證與選擇方案一：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

12、、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。綜合考慮采用方案二。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

13、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16.2w 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

14、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

15、合適情況下，減少調節時間。3電路與程序設計3.1電路的設計3.1.1控制模塊電路設計控制模塊采用msp430f149核心板作為mcu，且有swd接口以方便程序調試。自行制作核心板底板，搭建相應的硬件電路，使其能夠產生pwm波驅動直流伺服電機，并能采集角度傳感器的數據，完成對風力擺的控制。3.1.2電機及驅動模塊電路設計電路采用pwm驅動形式，四路輸入和輸出以控制電機運轉。電路主要由控制芯片l298n、光電耦合器、穩壓二極管組成，驅動電路可控制電機的轉速。電路與單片機的接口采用光電耦合器，利用光電耦合器傳輸信號可以消除相互之間的干擾，提高系統的穩定性。3.1.3角度測量模塊電路設計角度測量模塊主

16、要由mpu6050組成，由于mpu6050集成程度比較高，且能夠穩定輸出角度值，故可以不再設計外圍電路。3.1.4電源電路設計電源電路采用ac-dc模塊分別為電機和控制器等模塊供電，電池采用12v、2200mah大容量電池，以保證風力擺在運行過程中有足夠的電量。兩路電源分別帶有指示燈，以指明電源有無。3.2程序的設計系統采用c語言編程實現各項功能。c語言本身帶有各種庫函數，運算能力較強，而本系統的軟件中算數運算比較多，利用c語言編程可以體現出一定優勢。程序是在window7環境下采用iar embedded workbench軟件編寫的，可實現對風力擺的精確控制，對傳感器輸入信號的處理、對按鍵

17、輸入的查詢以及聲光提示等功能。3.2.1程序功能描述與設計思路1）主程序，模式選擇：可以手動選擇風力擺的運行模式。用鍵盤響應引發中斷，將模式切換視為中斷程序。2）子程序，控制風力擺：使風力擺能夠完成題目要求的各項任務。使用pid算法進行調節，響應快、效果好。3.2.2程序流程圖（詳見附件1.2）4測試方案、結果與分析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 基礎部分一驅動風力擺工作，使激光筆穩定地在地面畫出一條長度不短于50cm的直線段，來回五次，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

18、（s）誤差1誤差2誤差3誤差4誤差5第一次測試第二次測試第三次測試4.2.2 基礎部分二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時間（s）誤差1誤差2誤差3誤差4誤差5畫30cm直線畫40cm直線畫50cm直線畫60cm直線4.2.3 基礎部分三設置風力擺自由擺時角度，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角度直線時的最大偏差距離。測試結果如表3 所示。表3 風力擺畫不同角度直線測試時間（s）誤差1誤差2誤差3誤差4誤差5畫0直線畫90直線畫180直線畫270直線畫360直線4.2.4 基礎部分四將風力擺拉起一定角度放開，驅動風力擺工作，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