毕业设计 风力摆控制系统设计报告

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1、摘要：本系统主要是以STM32单片机为控制芯片控制4只直流轴流风机，从而调节风机转速来控制使风力摆呈现不同状态的控制系统。该系统主要由主控板，无线遥控器，直流轴流风机，摆架框架等四大部分组成风力摆控制系统。关键字：风力摆无线STM32单片机直流轴流风机1一．系统方案1.系统方案论证本系统主要由遥控模块、控制模块、陀螺仪模块、直流轴流风机组成，添加一些辅助电路作为扩展功能。系统工作有六种工作模式，使用无线遥控切换模式并显示。下面分别论证这几个模块的选择。1.1直流风机的论证与选择方案一：使用直流鼓风机。直流鼓风机的机械摩擦非常小，具有较大的精度，并能提供足够的风力进行运动。但在实验过程中，风

2、机启动速度较慢，且由于其自身重量过大，风摆在运动过程中受惯性影响极大，不能有效的完成任务要求。方案二：采用直流轴流风机。直流轴流风机是在固定位置使空气流动，自身重量和体积都比较小，且出风口大，能够很好的提供动力与控制。在实验过程中能够较快的启动，并能较好的实现任务要求，符合实验需要。综合以上两种方案，风力摆在运动过程中需要进行实时控制摆杆的姿态，且需要风机启停反应快，故选择方案二。1.2控制器模块的论证与选择根据设计要求，控制器主要用于计算摆杆姿态、控制直流轴流风机PWM、使摆杆能完成相应等功能。方案一：采用STC89C51作为系统控制器。它的技术成熟，成本低。STC89C51是8位的单片

3、机，数据传输速度慢，在用于精密的操作时，不能满足实时控制的要求，且复杂的控制算法难以实现，不利于控制。方案二：采用意法半导体公司的STM32F103单片机作为控制器。STM32系列单片机是32位、RISC、低功耗的处理器。在进行高精密的操作时，处理能力非常强，运算速度快，具有很好的控制能力，且成本低，更符合实验要求。综合考虑以上两种方案，采用方案二。2.系统结构根据上述方案的论证，我们确定以STC32F103作为控制核心，采用型号为PFB0812XHE的直流轴风机控制摆杆运动，用陀螺仪MPU6050检测状态数据2626，并将采集到的数据传输给控制板，然后通过单片机计算处理得出摆杆的姿态并调

4、整直流轴风机的转速，从而使摆杆快速获得需要的状态，通过对应的无线遥控，设置相应的功能并发送给控制板，使其实现对应的功能，完成任务要求。系统设计框图如图1所示直流轴风机STM32F103最小系统模块无线接收显示按键STM32F103最小系统模块陀螺仪模块无线发送图1设计系统框图二．系统理论分析与计算1.直流轴风机选型本系统采用型号为PFB0812XHE的直流轴风机控制摆杆运动，电压为12V，电流4.65A。此型号直流轴风机大小适中，重量较轻，产生的风力较大且能较快的启动，符合本系统要求。2.摆杆状态检测本系统采用陀螺仪MPU6050采集摆杆的当前姿态数据，将采集到的数据实时传递给单片机，通过

5、单片机PID计算处理后控制PWM的输出，使直流轴流风机转速改变，进而使摆杆达到相应的任务要求。3.运动控制风力摆的运动是连续运动，摆杆的变化也是连续的变化过程，因此我们采用PID控制算法。对直流电机或多圈电位器为执行器件的系统中，基本采用增量式PID算法进行控制。由于单个直流轴风机，只能产生一个方向的力，为了便于控制，我们将4个直流轴风机直立围绕成一个正方形（出风口向外），使四周都能产生相同的风力。然后单片机将陀螺仪MPU6050采集到的数据，确定其当前摆杆的姿态，在进行PID算法以后，将得到的结果对应去控制直流轴风机的转速，以达到控制摆杆完成相应动作的效果2626三．电路与程序设计1．电

6、路设计（1）陀螺仪模块陀螺仪MPU6050模块的实物硬件图如图3所示。它与单片机的连接图如图附录总图所示。在这里主要使用的是它的3轴定位功能和加速度功能。图2MPU6050硬件模块图（2）最小系统模块STM32单片机是意法半导体公司生产的32位低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。其主要特点是处理能力强、运算速度快、低功耗等。在这里主要使用开发板原理图如图4所示。图3最小系统板原理图26262．程序设计程序功能描述本系统的软件部分主要由数据采集模块、无线接收和发送、直流轴流风机PWM、PID控制模块函数组成。当单片机上电后，根据不同的按键，遥控模块无线发送对应的工作模式，风力摆的控制板按

7、照接收到的不同工作模式，对应的完成不同的的要求工作。软件部分可实现对读取陀螺仪输出的数据信号，对直流轴流风机进行控制，实现摆杆的运动。程序流程图如图5所示。部分程序如附录一所示。模式一开始模式二模块初始化模式三工作模式按键无线发送无线接收模式四数据采集模式五PID处理模式六直流轴风机PWM控制图4系统软件流程图模式一：从静止开始，15s内控制风力摆做自由摆运动，使激光笔稳定地在地面画出一条长度不短于50cm的直线段，其线