风力摆控制系统-论文

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1、风力摆控制系统摘要本文设计和实现的风力摆控制系统一种双输入，双输出闭环控制系统。系统通过调节风机转速实现风力摆按照一定规律运动，激光笔画出所要求的运动轨迹，而以风力摆的摆角作为调节风机转速的参数。本系统以STM32F103单片机为控制核心，包括电源模块，单片机控制模块、按键选择模块、声光报警模块、风机驱动模块、角度检测模块。由按键选择风力摆的工作模式，单片机通过驱动控制风机转速，改变风力摆的摆角。陀螺仪检测风力摆的摆角并将数据反馈给单片机，对此数据进行卡尔曼滤波和PID控制算法处理后，单片机声光报警，输出PWM波控制驱动调节风机转速。软件部分应用C语言实现系统的基本功能。关键词：风

2、力摆；陀螺仪；卡尔曼滤波；PID控制算法1方案论证与比较1.1总体方案设计本系统以STM32F103单片机为控制核心，包括电源模块，单片机控制模块、按键选择模块、声光报警模块、风机驱动模块、角度检测模块。采用直流开关电源给驱动和单片供电，驱动将电压稳压后给风机供电。由按键选择风力摆的工作模式，单片机通过ULN2003驱动模块控制风机转速，改变风力摆的摆角。MUP-6050陀螺仪检测风力摆的摆角并将数据反馈给单片机，对此数据进行卡尔曼滤波和PID控制算法处理后，单片机声光报警，输出PWM波控制驱动模块调节风机转速。图为系统总方案设计框图。图系统总方案设计框图1・2单片机控制模块方案论

3、证与比较方案一：采用STC8051单片机作为本系统主控器。51系列单片机功耗较高，8位微型处理器运算速度慢，5个中断源，无硬件乘法器，片内资源少。但价格低廉，使用简单。方案二：采用MSP430F149.单片机作为本系统的主控器。MSP430F149单片机德州仪器开发的一种超低功耗微控制器，它是一款16位单片机，内含12位ADC,运算速度较快，价格略贵。方案三：采用STM32F103单片机作为本系统主控器。STM32系列是基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMoSTM32F103是一款常用的增强型系列微控制器。STM32F103增强型系1方案论证与比较1.1总

4、体方案设计本系统以STM32F103单片机为控制核心，包括电源模块，单片机控制模块、按键选择模块、声光报警模块、风机驱动模块、角度检测模块。采用直流开关电源给驱动和单片供电，驱动将电压稳压后给风机供电。由按键选择风力摆的工作模式，单片机通过ULN2003驱动模块控制风机转速，改变风力摆的摆角。MUP-6050陀螺仪检测风力摆的摆角并将数据反馈给单片机，对此数据进行卡尔曼滤波和PID控制算法处理后，单片机声光报警，输出PWM波控制驱动模块调节风机转速。图为系统总方案设计框图。图系统总方案设计框图1・2单片机控制模块方案论证与比较方案一：采用STC8051单片机作为本系统主控器。51系

5、列单片机功耗较高，8位微型处理器运算速度慢，5个中断源，无硬件乘法器，片内资源少。但价格低廉，使用简单。方案二：采用MSP430F149.单片机作为本系统的主控器。MSP430F149单片机德州仪器开发的一种超低功耗微控制器，它是一款16位单片机，内含12位ADC,运算速度较快，价格略贵。方案三：采用STM32F103单片机作为本系统主控器。STM32系列是基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMoSTM32F103是一款常用的增强型系列微控制器。STM32F103增强型系列使用高性能的ARM/Cortex-M3/32位的RISC内核，运算速度极快，精度高，执

6、行能力强，中断源多。综上三种方案，STM32F103单片机比其他两个单片机运算速度都快，精度更高，处理能力强，功耗低，且价格适中，能大大降低系统复杂度，提高了系统的性价比，因此我们选方案二。1.3角度检测模块方案论证与比较方案一：采用导电塑料角位移传感器WDS35D。WDS35D传感器采用特殊形状的转子和绕线线圈，模拟线性可变差动传感器的线性位移。WDS35D测量范围为0°〜360°,输出电压范围输入电压有关，输出精度为1mv,测量精度为0.1°,可以实现对角位移的精确测量。但WDS35D操作复杂，不易控制，价格较高，适用于对角度精度和稳定性要求极高的复杂控制系统。方案二：采用MP

7、U6050陀螺仪模块。MPU-60X0是全球首例9轴运动处理传感器。它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP,MPU—6050对于角度的采集精度高，易于操作。综上两种方法，MPU—6050和WDS35D可都以进行精确测量，但MPU—6050陀螺仪模块体积小、精度高、采集速度快、操作简单，而WDS35D操作复杂，价格较高，不实用，故我们选择方案二。1.4驱动模块方案论证与比较方案一：米用以L298N为主芯片的驱动电路。L29