全国大学生电子设计竞赛

风力摆控制系统

2015年8月15日

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摘 要

本系统是以STM32ZET6为控制核心的风力摆控制系统。通过MPU6050三轴角速度感测器检测摆杆的摆动角度，并在12864液晶屏进行实时的显示，同时将检测到的角度信息传输给32单片机。32单片机将此信号进行PID算法处理后产生相应的pwm信号，控制轴流风机进行不同的动作反应，带动细杆旋转，以此实现不同的控制要求。通过按键选择电机的工作模式，实现设计的各项要求。

关键词：STM32 MPU6050 12864 轴流风机 PID算法

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目 录

一、方案论证 ....................................................... 1

1、风机模块的论证与选择 ...................................................................................1 2、电机驱动模块的论证与选择 ...........................................................................1 3、三轴角速度感测器模块论证与选择 ...............................................................1 4、显示模块的论证与选择 ...................................................................................2 5、控制系统的论证与选择 .............................................................................................. 2 6、风力摆运动控制方案论证 .......................................................................................... 2 二、测控方法 ....................................................... 2

1、控制算法的分析 ...............................................................................................2

（1）控制算法 ................................................................................................2 2、风力摆状态的测量 ...........................................................................................3 3、风力摆运动控制的计算 ...................................................................................3 三、系统设计 ....................................................... 3

1、系统结构 ...........................................................................................................3

（1）系统总体框图 ........................................................................................3 （2）轴流风机子系统框图 ............................................................................4 （3）陀螺仪与显示子系统框图 ....................................................................4 2、电路设计 ...........................................................................................................4

（1）电路流程图 ............................................................................................4

四、系统测试 ....................................................... 5

1、测试方案 ...........................................................................................................5 2、测试条件与仪器 ...............................................................................................5 3、测试数据及分析 ...............................................................................................5

（1）测试数据 ................................................................................................5 （2）测试分析与结论 ....................................................................................6

五、结论与心得 ..................................................... 7 六、参考文献 ....................................................... 7

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风力摆控制系统（B题）

【本科组】

一、系统方案

本系统以STM32ZET6单片机作为主控芯片，主要由风机模块、电机驱动模块、三轴角速度感测器模块、显示模块、电源模块组成，使用C语言编写程序，完成题目的要求。通过三轴角速度感测器检测并读出摆杆的摆动角度，从而控制轴流风机的运动状态，驱动电机带动摆杆，并通过按键选择电机的工作模式，使激光画出各项要求的图形。下面分别论证这几个模块的选择。

1、风机模块的论证与选择

方案一：采用两只直流风机作为动力。两只风机分别位于摆杆两侧并排同向而立，通过控制风机转速控制风力摆使激光笔画线画圈，此方案风力摆负载轻，但不易微调和快速静止。

方案二：采用4只轴流风机作为动力。4只轴流风机采用内转子电机直联传动,安装方便牢固、质量轻、振动小、噪声低、运行平稳，不扭转风管内介质的流向，安装方便。此方案风力摆负载最重，但对于控制风力摆状态最为精确，且动力最足。

本设计需要风速快、质量轻、控制精准的方案，所以选择了方案二。

2、电机驱动模块的论证与选择

方案一：采用THB7128电机驱动芯片。THB7128芯片内部集成了细分、电流调节、CMOS功率放大等电路，配合简单的外围电路即可实现高性能、多细分、大电流的驱动电路。但THB7218这些性能优势使其更加适合驱动步进电机，不适合本系统直流伺服电机的驱动。

方案二：使用L298N电流电机驱动模块。L298N电机驱动芯片工作电压高，输出瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流2A，额定工作频率25W。内含两个H桥的高电压电流全桥式驱动器可以很好的控制本系统中的直流伺服电机，采用标准逻辑电平信号控制，控制直流电机更加简单容易。

根据实用性，本设计采用方案二。

3、三轴角速度感测器模块的论证与选择

方案一：选用双轴倾角传感器模块LE-60-OEMLE-60-OEM，测量重力加速度变化，转为倾角变化，可测量双向。具有稳定性高、低功耗、结构简单等优点。响应速度为5Hz。它可以测量平衡板与水平方向的夹角，x,y方向可以测，但z轴不可测。且操作复杂，软件处理难度大。

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