基于stm32的风力摆控制系统的设计

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1、基于STM32的风力摆控制系统的设计【摘要】该风力摆控制系统是由单片机控制核心、ADXL345数字三轴重力加速度芯片、直流电机、电机驱动模块以及液晶显示模块几个部分构成的闭环系统。利用单片机产生不同占空比的PWM波给驱动模块让其产生正弦波驱动为电机提供工作电压，运用相位合成和占空比调节实现对风力摆的运动轨迹控制，通过实际数据试验出风力摆的控制规律，稳定的完成了风力摆的直线运动和曲线运动要求。【关键词】正弦波角度传感器直流电机一、设计方案及原理分析本系统由机械结构、控制模块、电机驱动模块、摆杆角度测量模块、电机和电源等组成，下面分别论证一下

2、几个模块的选择。1.1机械结构的设计方案风力摆控制系统是一个完整的测量控制系统，其中的机械结构则是这个测控系统的对象，对象的好坏在很大程度上会影响到后期控制算法的设计，对象制作的越稳定可靠，系统的性能就会越好。所以在制作这样一个精密控制系统的时候，前期的机械结构的制作是非常关键的一步，在制作的时候要尽量确保它的稳定性，例如选用合适的材料、采用尽量好的制作工艺等。该风力摆控制系统中，机械结构大概分成以下几部分，风机、摆杆、摆杆转轴、底座和激光笔。1.2控制模块方案采用STM32F103单片机作为主控芯片。STM32F103基于高性能、低成本

3、、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核，强大的定时、中断功能，方便对传感器模块和电机的控制，可以快速进行复杂的运算。同时具有大容量的RAM和ROM,可存储大容量的程序。编程时可以直接调用库函数，提高编程效率。能够较为迅速的从传感器中采集数据进行处理，并快速反馈给电机进行下一步动作。1.3电机驱动模块方案采用L298N驱动。L298N是一种全桥驱动芯片，它响应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，结合单片机可实现对电机速度的精确控制，调速特性优良、调整平滑、

4、调速范围广、过载能力大，能承受频率的负载冲击，还可以实现频率的无级快速启动、制动和反转。1.4摆杆角度测量模块方案采用加速度传感器模块ADXL345。该传感器具有体积小、重量轻、功耗低、分辨率高等优点，能够检测不到1°的倾角变化，并且具有很高的可靠性。这十分有利于对角度的取样和对风力摆的控制。1.5电机的选取方案采用直流电机。直流电机启动转矩大，调速性能好，体积小，重量轻，装配简单，使用方便，通过单片机输出PWM波很容易实现对直流电机正转，反转和停止等操作。1.6电机工作方式的选取方案采用正弦波的工作方式。采用正弦波给电机供电，通过调节幅

5、值来控制电机转速，让两个方向都以正弦波运动，合成后运动轨迹更接近且容易控制和调二、系统实现系统运行时，在液晶上显示界面，用户通过按键模块进入对应的模式来完成相应的功能。而后控制器读取角度传感器的数值，整合计算后发出特定频率和占空比的PWM波形，控制电机驱动模块输出不同的电流、电压，最终使摆杆完成需要的动作。系统中的唯一动力来源于直流电机，通过L298N驱动板可以产生相应的正转、反转，灵敏性好，同时控制所用的PWM波使用方便。加速度传感器模块ADXL345作为角度测量传感器，将系统的摆杆角度信息反馈给单片机，并根据设定的程序，作出一系列的控

6、制调节，使摆杆完成相应的动作。试验测试以及各功能指标的实现：1、完成了划出预设长度的线段。根据需要的线段长度，设定对应的角度值，在摆杆运动的过程中，依据角度测量传感器传输回来的角度值，调节摆杆的角度到预定的角度值，通过算法不断修正，进而画出对应长度的线段。2、完成了预设角度的偏移。根据需要的角度，设定对应的角度值，使相邻的两个电机同时工作，根据角度测量传感器传输回来的角度值，结合PID算法来调节摆杆的相应方向的偏移角度，进而画出预设角度偏移的线段。3、完成了摆杆的制动功能。根据程序中不同的模式调节，当需要制动功能时，给予电机反相位的正弦波

7、驱动，根据x，y两个方向的分别调节制动，可实现5s内完成制动功能。4、完成了预设直径的圆周运动当需要做圆周运动时，给四个电机依次间隔四分之一周期输入正弦波驱动，根据直径要求，调节正弦波驱动的幅值，即可改变圆的直径，根据角度测量传感器传输回来的数据，结合PID算法实时进行修正，完成预设直径的圆周运动。、测试结果将传感器采集的数据进行滑动滤波，得到近似正弦曲线，取相应方向的最大值，可以得到该方向上摆杆的角度，结合PID算法对运动轨迹进行实时调整修正。较好的完成了预期的各项实验要求，测试过程中，完成了对指定长度以及指定角度的直线运动，以及指定直

8、径的圆周运动。具有误差小，稳定快的特点。四、创新特色总结此风力摆控制系统的设计，以STM32F103单片机为控制核心，采用ADXL345角度传感器实时采集摆杆旋转的角度信息，并通过单片机控制直