大学生电子设计竞赛
风力摆控制系统
学项
院: 计算机学院目：风力摆控制系统
王贤朝张保定
负责人：指导老师：
时
间： 2017年5月20日
摘要
本系统采用K60开发板作为控制中心，与万向节、摆杆、直流风机（无刷电机+扇叶）、激光头、反馈装置一起构成摆杆运动状态与风机速度分配的双闭环调速系统。单片机输出可变的PWM波给电机调速器，控制4个方向上风机的风速，从而产生大小不同的力。利用加速度计模块
MPU6050，准确测出摆杆移动的
位置与中心点位置之间的关系，采样后反馈给单片机，使风机及时矫正，防止脱离运动轨迹。使用指南针模块判别方向，控制系统向指定方向偏移。控制方式采用PID算法，比例环节进行快速响应，积分环节实现无静差，微分环节减小超调，加快动态响应。从而使该系统具有良好的性能，能很好地实现自由摆运动、快速制动静止、画圆、指定方向偏移，具有很好地稳定性。
关键词：K60、空心杯电机、MPU6050、PID、无线蓝牙
目
录
一、系统方案..............................................
1.1 系统基本方案......................................
1.1.1 控制方案设计................................ 1.1.2 机械结构方案设计............................ 1.2 各部分方案选择与论证
.............................
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1.2.1电机选择.................................... 1.2.2 电机驱动的选择.............................. 1.2.3 摆杆与横杆的连接选择
........................
1.2.4 摆杆与风机的连接选择....................... 二、系统理论分析与计算..................................
2.1风力摆位置的计算与分析........................ 2.2风力摆运动状态的分析........................... 2.3控制算法的分析................................
三、电路与程序设计.......................................
3.1电路的设计.................................... 3.1.2电源 ....................................... 3.2程序的设计 .......................................
3.2.1程序功能描述与设计思路...................... 3.2.2程序流程图..................................
四、测试方案与测试结果
...................................
4.1测试方案 ......................................... 4.2测试条件与仪器.................................... 4.3测试结果及分析....................................
（1）测试结果.................................... （2）测试分析与结论..............................
222
333 4444555556
五、结论与心得........................................... 6
风力摆控制系统（B题）
【本科组】
一、系统方案
1.1 系统基本方案
1.1.1 控制方案设计
为了实现题目要求我们采用
K60单片机做为主控芯片，用加速度计陀螺仪模块
MPU6050检测到摆杆的
MPU6050来计算角度和风机状态，用直流风机带动摆杆运动。当
角度时，可根据三角函数公式计算出摆杆现在距离中心的具体位置（方向、距离），单片机会控制PWM波的输出大小来控制风机的风速与方向，
使摆杆达到在特定位置静止或
按照一定的轨迹运动。当摆杆处于自然下垂状态时，给四个风机同时上电且风向都向外，此时摆杆仍处于受力平衡——静止状态。此时降低
X轴上一个风机的转速，摆杆将会带
动激光头在X轴上画一条直线，当达到一定的倾斜角度时，单片机可根据角度计算出此时距离中心的距离是否>=25cm，若达到要求后，此风机减速，
X轴反方向上电机逐渐加
A/D采样，Y轴
速，恢复到初始速度，反方向做相同的运动。在此过程中，单片机做出方向方向风机随时做出矫正，防止发生轨迹偏移。
1.1.2 机械结构方案设计
由于摆杆长度（60cm~70cm）较长，且要求激光头在地面画出15cm~35cm的圆，所
以要求横杆的距离要足够长。横杆长度较长加之摆杆重量较大，所以要求底座要有足够的重量来支撑整个系统。如果结构不稳或者重量不够，摆杆运动过程中将会产生倾倒或者抖动等现象，影响测试结果。于是，底座采用了“工”型结构，保证了整个系统的稳
风力摆控制系统设计报告
