风力摆控制系统
摘 要：本系统采用STM32F103ZET6单片机作为控制核心，通过对置于风力摆上的MPU9150陀螺仪采集的角度进行处理得到角度与风力摆位置的关系，再通过驱动输出PWM波控制轴流风机，使风力摆到达指定的位置，做规定的圆周运动。本系统通过PID调试，测试表明，各项功能已达到或超过本题目要求。
关键词：MPU9150；PID；轴流风机
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1. 系统方案
本系统主要由主控制器，陀螺仪，电机驱动模块，轴流风机，激光笔组成，下面分别对这几个模块进行选择与论证。 1.1陀螺仪的选择
方案一：MPU6050。 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数字运动处理器DMP，可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。MPU-6050对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。一个片上1024字节的FIFO，有助于降低系统功耗。但零飘较严重。
方案二：角度传感器。当连结到RCX上时，轴每转过1/16圈，角度传感器就会计数一次。往一个方向转动时，计数增加，转动方向改变时，计数减少。计数与角度传感器的初始位置有关。当初始化角度传感器时，它的计数值被设置为0。角度传感器一般测静态的角度，倾角用加速度计。明显在本系统中角度传感器不如陀螺仪方便使用。
方案三：MPU9150。MPU-9150 是采用系统级封装 (SiP)，集合了两个芯片：MPU-6050 和 3 轴数字罗盘 AK8975，其中 MPU-6050 包含 3 轴陀螺仪、3 轴加速计以及能够处理复杂 9 轴 MotionFusion 算法的板载 Digital Motion Processor? (DMP?) 。 这款元件集成 9 轴 MotionFusion 算法，能够访问所有内部传感器，以收集全套传感器数据。MPU9150测转角的速度的，可以积分得到转的角度，动态性能好，静态差，零飘基本无，很适合本系统。
综合考虑后决定采用方案三。 1.2轴流风机的选择
方案一：四线可测速、包含温控PWM调速轴流风机。此种轴流风机一般重量较大，启动时间长，虽然风量大但明显不适合本系统的实时检测调整的思路。 方案二：三线可测速轴流风机。此种轴流风机重量较轻，启动时间短，直接接驱动即可对其进行控速，风量也很大，比较符合题目各项要求的时间限制。
综合考虑后决定采用方案二。
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1.3轴流风机个数与方位选择
方案一：两个轴流风机。两个轴流风机的摆放有两种方式，背对摆放和呈直角摆放。第一种方式只有两个方向的摆角，而垂直摆放则只有180°的摆角。 方案二：三个轴流风机。三个轴流风机呈等边三角形摆放，虽360°都可以达到，但是每两个轴流风机的夹角是钝角，合成后的力大大减小。
方案三：四个轴流风机。四个轴流风机两两垂直摆放，合力方向遍布360°，且合力的方向方便计算，合力的大小方便控制。
综合考虑后选择方案三。 1.4电机驱动的选择
方案一：ULN2003电机驱动模块。高耐压、大电流复合晶体管IC—ULN2003，ULN2003 是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN 复合晶体管组成。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003电机驱动模块电路简单，既可控制直流电机又可控制步进电机。由于电流的限制，只能驱动小型电机。 方案二：可实现电机正反转及调速,启动性能好，启动转矩大,工作电压可达到36V，可持续工作电流2A,此题中可同时驱动两台直流电机。TLP521-4光隔，L298N有过电流保护功能，当出现电机卡死时，可以保护电路和电机等。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，板载5V线性电源输出，纹波小，对单片机毫无干扰。
综合考虑轴流风机的工作电流，决定采用方案二。
2. 系统理论分析与计算
2.1PID的原理与运用
PID即比例、积分和微分，比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t）与输出u (t）的关系为：
u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt] 积分的上下限分别是0和t
因此它的传递函数为：
G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI*s)+TD*s]
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