简易风力摆报告设计

2015年全国大学生电子设计竞赛风力摆控制系统（ B 题）2015 年8 月15 日本文以IAP单片机为控制核心，可以在运行过程中对User Flash的部分区域进行烧写；MPU605是陀螺仪与加速度传感器的结合，可实时检测出风力摆的状态并由单片机处理后通过PID控制算法实现闭环调节，实现对直流电机转速的控制以此来达到风力摆的动态平衡。

系统设计结构简单，制作成本低，控制精度高。

风力摆运行状态由液晶显示，智能性好，反应速度快，具有良好的人机交互界面。

目录一、系统方案 (1)1、电机的论证与选择12、单片机的论证与选择...............................................................13、电机驱动电路的论证与选择1二、系统理论分析与计算22.1保证系统稳定性的方法 (2)⑴选取合适的材料搭建支架 (2)(2)选取适宜的硬件提高精准度 (2)1、小型直流电机电路32、显示模块的电路33、电机驱动电路3三、系统设计31、系统流程图32、程序设计(见附录) ................................................................3四、测试方案及结果31、测试仪器32、测试结果33、测试分析 (5)五、结论与心得5六、参考文献5附录1 :源程序 (6)风力摆控制系统（ B 题）【本科组】一、系统方案本系统主要由控制处理模块、角度，加速度检测模块、驱动模块、电源模块、显示组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1、电机的论证与选择方案一：采用步进电机。

步进电机具有动态响应快、易于起停，易于正反转及变速的优点。

但缺点是它以步进式跟进，角度小于一个步距角时是系统响应盲区，而且经过测试步进电机在控制旋转臂时，抖动性大并且容易出现卡顿现象，所以不适合风力摆的控制。

方案二：采用小型轴流风机。

扭矩大，体积小，驱动电路简单，稳定强，负载能力强等优点。

全国大学生电子设计竞赛B题风力摆设计报告公司内部编号：（GOOD-TMMT-MMUT-UUPTY-UUYY-DTTI-2015年全国大学生电子设计竞赛风力摆控制系统（B题）2015年8月15日摘要本文以 IAP 单片机为控制核心，可以在运行过程中对User Flash的部分区域进行烧写；MPU6050是陀螺仪与加速度传感器的结合，可实时检测出风力摆的状态并由单片机处理后通过PID 控制算法实现闭环调节，实现对直流电机转速的控制以此来达到风力摆的动态平衡。

系统设计结构简单，制作成本低，控制精度高。

风力摆运行状态由液晶显示，智能性好，反应速度快，具有良好的人机交互界面。

目录风力摆控制系统（B题）【本科组】一、系统方案本系统主要由控制处理模块、角度，加速度检测模块、驱动模块、电源模块、显示组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1、电机的论证与选择方案一：采用步进电机。

步进电机具有动态响应快、易于起停，易于正反转及变速的优点。

但缺点是它以步进式跟进，角度小于一个步距角时是系统响应盲区，而且经过测试步进电机在控制旋转臂时，抖动性大并且容易出现卡顿现象，所以不适合风力摆的控制。

方案二：采用小型轴流风机。

扭矩大，体积小，驱动电路简单，稳定强，负载能力强等优点。

综合比较以上两种电机，结合设计所需平稳的控制摆杆处于竖直状态，故选择小型轴流风机。

2、单片机的论证与选择方案一：采用 AT89C52 单片机。

AT89C52 单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。

方案二：采用IAP15F2K61S2 单片机。

IAP 系列单片机具有低功耗、高速度、超强抗干扰等优点。

方案三：采用 STC89C52RC 单片机本身带有有 8 路十位 AD 转换和 2 路PWM，而且处理速度比一般单片机要快，精度高。

综合比较以上三种单片机。

为了更方便、高精度、高速度地控制系统，完成题目要求，故选择 IAP15F2K61S2 单片机为主控芯片。

2015年全国大学生电子设计竞赛风力摆控制系统（B题）2015年8月15日摘要本风力摆系统主要包括单片机控制模块，开关电源（电源模块）激光笔及小型轴流风机，以及基于六轴倾角仪mpu6050的闭环控制系统。

其中控制模块采用STM32为核心控制芯片，激光笔作为系统的执行机构，12V2.5A的小型轴流风机作为驱动风力摆的唯一动力，用12V的开关电源驱动轴流风机。

轴流风机和摆杆通过万向节固定在支架上（用粗股导线将风力摆悬挂在支架上）。

固定在支架上，测量得到的角度经过软件处理得到风力摆摆动所需要的PWM值。

（本系统的PID 算法算法是通过实际经验试验出风力摆的控制规律，稳定的完成风力摆运动过程中激光笔画轨迹。

）关键词：风力摆; STM32; 轴流风机; PID算法; mpu6050目录一、系统结构方案与设计 (1)1、机械结构设计 (1)2、主控芯片的论证与选择 (1)3、风力摆结构方案的论证和选择 (2)4、运动控制算法的论证和选择 (2)二、系统理论分析与计算 (2)1、摆杆位置检测 (2)2、风力摆运动控制分析 (2)3、控制算法分析 (2)三、电路与程序设计 (3)1、电路的设计 (3)（1）STM32最小系统电路 (4)（2）稳压电源电路 (4)2、程序的设计 (4)（1）程序功能描述与设计思路 (4)（2）程序流程图 (4)四、测试方案与测试结果 (5)1、测试方案 (5)2、测试条件与仪器 (5)3、测试结果及分析 (5)（1）测试结果(数据) (5)（2）数据分析与结论 (7)五、结论与心得 (7)六、参考文献 (8)附录1：电路原理图 (9)附录2：源程序 (11)风力摆控制系统（B题）【本科组】一、系统结构方案与设计1、机械结构设计我们以生钢为材料加工成的十字作为风力摆支架的底盘，结构坚固克服摆动时的震动。

以实心的钢棒作为摆杆减小了摆动时的自旋，用万向节将摆杆和支架的水平臂连接保证了摆动的灵活性以及达到了摆动角度和速度的精确控制。

风力摆论文报告WEIHUA system office room 【WEIHUA 16H-WEIHUA WEIHUA8Q8-风力摆控制系统（B题）摘要本风力摆控制系统主要包括单片机控制模块，液晶显示模块，直流电机，驱动模块以及姿态检测模块构成闭环系统。

其中控制模块采用STM32F103为控制芯片，直流电机为执行机构，电子调速器为电机驱动。

MPU6050采集风力摆姿态角，MCU处理姿态角数据后通过PID算法调节直流风机以控制风力摆快速画直线、摆角度，恢复静止的功能，并能按照要求画圆，在受风力影响后能够快速恢复画圆状态。

另外本系统采用OLED显示屏实现了友善方便的人机交互界面。

关键词：STM32F103 MPU6050 PID算法电子调速器?1系统论证与比较系统基本方案本系统主要由主控制模块、姿态检测模块、液晶显示模块，电机驱动模块和悬挂模块四部分组成，实现了风力摆控制系统。

系统框图如图1所示。

图1 风力摆控制系统总体框图姿态检测方案的论证与选择方案一：倾角传感器。

倾角传感器运用牛顿第二定律，根据定律，当倾角传感器静止的时候，由于物体的侧面还有垂直方向是受到其他力的作用，只有重力的作用，也就是说作用在它身上的就只有重力加速度了，所以由此产生的重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角，可以用来测量相对于水平面的倾角变化量，就是我们所说的倾斜角。

但是倾角传感器侧重于静态测量，不适合检测运动物体的角度变化。

方案二：MPU6050。

MPU6050六轴传感器集成3轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS 加速度计，每个轴对应有一个16位AD转换器。

正常工作时，陀螺仪和加速度计分别采集X轴，Y轴，Z轴的电压值，然后通过AD转换，转换成数字信号，最后通过I2C总线传送到控制芯片，但此时得到的值不是实际的角度和角速度值，还必须经过一定的比例关系进行转换，才能得到实际的角度和角速度值。

该传感器整合了6轴运动处理组件，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的封装空间。

参赛队代码：B412015年全国大学生电子设计竞赛天津赛区(TI杯)设计报告封纸天津工业大学刘垚圻尹楚君张森摘要风力摆是一种经典的闭环控制，这种经典算法在智能化控制中起到举足轻重的作用。

本设计以STM32为主控器单片机，采用类圆锥摆物理模型，利用两套Zigbee无线模块，实现无线手持人机操作、无线测量，实现便捷、安全、稳定的闭环可控系统。

首先通过人机操作无线命令终端执行指令，再利用测量端的高精度陀螺仪采集风力摆结构偏角，将三轴偏角无线传输给终端分析处理，得到的姿态角数据后利用改善型的PID算法调节轴流风机，从而控制风力摆的精准摆动，最后实现较好的实现快速起动、恢复静止的功能，并能较准确画直线、画圆，且受风力影响后能够快速恢复画圆状态。

本设计在保证快速摆起完成任务的同时，有较好的精准度、稳定性和安全性以及较为完善的人机界面。

关键字：PID STM32ZigBee风力摆类圆锥摆目录一、系统方案分析-----------------------------------------------------41.轴流风机数量及摆放位置方案的论证与选择-------------42.风机控制方案分析----------------------------------------------53.控制算法的选择-------------------------------------------------5二、机械结构设计-----------------------------------------------------6三、设计方案-----------------------------------------------------------61.供电设计-----------------------------------------------------------62.程序的设计--------------------------------------------------------7四、测试方案与测试结果--------------------------------------------8五、心得体会-----------------------------------------------------------9六、参考文献-----------------------------------------------------------9风力摆控制系统（B题）【本科组】一、系统方案分析本风力摆控制系统主要包括单片机控制模块、姿态采集模块、电源模块、风力摆模块、液晶显示模块、人机操作系统以及风力摆机械结构组成。

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，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。

电风扇摆动机构课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解电风扇摆动机构的基本原理，掌握其组成结构及各部分功能。

2. 学生能够阐述摆动机构在电风扇中的应用，解释其转动过程及影响因素。

3. 学生了解摆动机构的种类，并能分析不同摆动机构的优缺点。

技能目标：1. 学生能够运用所学的摆动机构知识，进行简单的电风扇摆动机构设计与制作。

2. 学生通过实际操作，掌握调整摆动机构转动幅度和速度的方法。

3. 学生能够运用团队协作，进行摆动机构的设计、组装和调试。

情感态度价值观目标：1. 学生培养对机械设计和制作的兴趣，激发创新意识。

2. 学生在团队协作中，学会相互沟通、协作和解决问题，培养合作精神。

3. 学生认识到电风扇摆动机构在实际应用中的重要性，增强环保意识和节能减排的观念。

课程性质分析：本课程为实践活动课程，结合理论知识，培养学生的动手能力、创新意识和团队合作精神。

学生特点分析：六年级学生具有一定的物理知识和动手能力，对新鲜事物充满好奇，善于观察和思考。

教学要求：教师应关注学生的个体差异，提供充足的实践机会，引导学生运用所学知识解决问题，注重培养学生的实际操作能力和团队协作能力。

通过课程目标的实现，使学生在知识、技能和情感态度价值观方面得到全面发展。

二、教学内容1. 电风扇摆动机构原理：介绍摆动机构的基础知识，包括摆动机构的作用、类型及工作原理。

关联课本第三章第二节的摆动机构内容。

- 摆动机构的定义与作用- 摆动机构的类型及特点- 摆动机构工作原理的阐述2. 摆动机构在电风扇中的应用：分析电风扇中摆动机构的具体应用，探讨其转动过程及影响因素。

参考课本第四章第一节关于电风扇的构造。

- 电风扇摆动机构的结构组成- 摆动机构转动过程分析- 影响摆动机构转动效果的因素3. 摆动机构设计与制作：指导学生运用所学知识，进行电风扇摆动机构的设计与制作。

结合课本第五章实践活动内容。

- 摆动机构设计的基本步骤与方法- 摆动机构制作材料的选用与加工- 摆动机构的组装与调试4. 摆动机构优化与创新：探讨如何优化摆动机构性能，激发学生创新思维。