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1、2024年全国高校生电子设计竞赛风力摆限制系统（B题）COQ参赛学校：长安高校队伍编号：XZ015参赛队员：崔曜东、马若斯、李宝才指导老师：2024年8月150摘要本系统为由STM32堆片机限制模块、姿态采集模块、风力摆模块、人及交互系统以及风力摆机械结构组成的闭环限制系统。MPU)50陀螺仪传感落实时采集风力搓的姿态角及角速度，STM32IIO3单片机通过PID算法调整轴流电机转速以限制风力摆。风力摆能够实现快速起摆、画线、身原静止的功能，并能精确画园。同时系统可以通过键盘设定运行模式和相关角度值，风力摆的角度和运行时间由液晶显示，具有较好人机界面。系统设计结构简洁，制作成本低，限制精度高。
2、关键词：STM32f1.O3MPIJ-6050模块、PY调速AbstractThissystemiscomposedofSTM32contro1.modu1.e,attitudeacquisitionmodu1.e,windforcemode1.,humanandinteractivesystem,andthecIosed_1.pcontro1.systemcomjse1.ofwindforce.Thea1.titudeandangu1.arve1.ocityoftheMPU-6050gyroscopesensorareacquiredinrea1.time,andthespeedofthem
3、otoriscontro1.1.edbythePIDa1.gorithm,andthespeedofthemotoriscontro1.1.edbytheSTM32f103a1.gorithm.Windpowercanbeachievedquick1.y,draw1ines,restorethefunctionofstatic,andcanaccurate1.ydrawcirc1.e.Atthesametime,thesystemcansetuptheoperatingmodeandthere1.evantang1.eva1.ue,andtheang1.eofthewindforceandth
4、erunningtimeofthesystemaredisp1.ayedbythe1.CD.Thesystemhastheadvantagesofsimp1.estructure,1.owcostandhighcontro1.precision.Keywords:MP1.-6050,STM32f103modu1.e,PwMspeedcontro1.一、系统方案I1、主限制器件的论证与选择I1.1.限制器选用12、角度测量模块的论证与选择23、风扇驱动模块的论证与选择24、电源方案的论证与选择2二、系统理论分析与计莫31、风力撰状态的测量与计算的分析3（1）姿态采集分析3（2）限制算法分析32、
5、角速度的计算4三、电路与程序设计41、电路的设计4（1）系统总体框图4（2）MPU050子系统框图与电路原理图4（3）电机耶动模块子系统框图与电路原理图6（4）电源62、程序的设计7（1）程序功能描述与设计思路7（2）程序流程图8四、测试方案与测试结果8I、测试方案82、测试条件与仪器93、测试结果及分析9（1）测试结果（数据）9（2）测试分析与结论9五、结论与心得10六、参考文献10附录I：电路原理图11附录2：源程序13风力摆限制系统（B题）【本科组】一、系统方案本风力摆限制系统主要包括限制模块,电源模块、姿态采集模块、轴流风机及驱动模块、1.CD显示模块、人机交互系统以及风力摆机械结构组
6、成。风力摆由万向节连接碳杆再连接风机组成。位于碳素杆卜方的姿态采集模块不断采集风力拯当前姿态用，井返回单片机。单片机限制1.CD显示姿态角数据并处理数据后通过限制PWM波占空比限制风机转速，实现对风力摆的限制。本系统结构框图如图I所示。姿态采集模块单片机系统电机驱动模块I1.一人机交互系统图1.1系统方案框图1、主限制器件的论证与选择1.1 限制器选用单片机比较方案：采纳传统的51系列单片机传统的51单片机为8位机，价格便宜，限制简洁，但是运算速度慢，片内资源少，存储容量小，难以存储大体积的程序和实现快速精准的反应限制。并且受时钟限制，计时精度不高，外围电路也增加了系统的不行靠;性。方案二：采
7、纳32位的ARM微限制器意法半导体（ST）公司出品的STM32f1.O3RCT6,其内核是COrteX-M3,其片内集成了256K程序存储器，2个12位模数转换器（多达16个输入通道）、多达8个定时器等资源。通过比较，我们选择方案二，采纳32位的STM32f1.O3RC6作为限制器。1.1.2限制系统方案选择方案一：采纳在面包板上搭建简易单片机系统在面包板上搭建堆片机系统可以便利的对硬件做随时修改，也易于搭建，但是系统连线较多，不仅相互干扰，使电路杂乱无章，而且系统牢靠性低，不适合本系统运用。方案二：自制单片机印刷电路板臼制印刷电路实现较为困难，实现周期长，此外也会花费较多的时间，影响整体设计
8、进程。不宜采纳该方案。方案：采纳单片机最小系统.单片机最小系统包含了显示、矩阵键盘、A/D、D/A等模块，能明显削减外围电路的设计，降低系统设计的难度，特别适合本系统的设计。综合以上三种方案，选择方案三。2、角度测量模块的论证与选择方案一：采纳MPU-6050模块MPU-6000（6050）为整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速涔时之轴间差的问题，削减了大量的封装空间。该芯片内部整合了3轴陀螺仪和3轴加速度传感器，并可利用自带的数字运动处理器（DMP:Digi1.a1.MOIiOnPrOCCSSOr）硬件加速引擎，通过主IIC接口,向应用端输出姿态解算后的数据.方案
9、二：采纳ADX1.345倾角传感器ADX1.345是超低功耗3轴加速度计，辨别率褂（13位），测量范围达16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI（3线或4线）或I2C数字接口访问。综合以上两种方案，选择方案23、风扇驱动模块的论证与选择方案一：采纳1.298N驱动模块1.298N是一种双H桥电机驱动芯片，其中每个H桥可以供应2A的电潦，功率部分的供电电压范用是2S48v,逻辑部分5，供电，接受5vTT1.电平。般状况下，功率部分的电压应大于6V否则芯片可能不能正常工作。方案二：自己设计驱动模块自己设计的大电流羯动模块可以完全符合系统要求，真正做到完备适配。综合考虑采纳方案二4、
10、电源方案的论证与选择方案一：运用大功率开关电源接模块和单片机单独直流电源。大功率开关电源接模块给风机供电，单片机单独由直流电源供电。方案简洁易牢靠，双电源还可保证单片机系统和电机系统的完全隔高，提高系统牢靠性。方案二：采纳双电源供电。风机浜动电源和限制电源分开，限制电机部分通过光耦隔离。电机运用12V锂电池供电，此方案可确保系统的稔定性，但由于我们选择了12V3.2A的大功率轴流风机，锂电池无法供应足够的功率。综合上述比较，考虑系统的平安性、稳定性以，本系统采纳方案一。二、系统理论分析与计算1、风力摆状态的测量与计算的分析(1)姿态采集分析本系统采纳离精度的陀螺加速度计MPU6050不断采系风
11、力摆姿态角数据.MPU6050集成了3轴MEMS陀螺仪，3釉MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP.MPU6050和全部设备寄存器之间的通信采纳40OkHZ的I2C接口，实现高速通信。I1.内置的可编程卡尔履滤波器，采纳最优化自回来数据处理算法精确测量风力摆当前姿态角.MPU6050时陀螺仪和加速度计分别用/:个16位的ADC.将其测量的模拟依转化为可输出的数字量，通过DMP处理器读取测量数据然后通过串口输出。(2)限制算法分析本系统采纳PID算法来限制风机转动的速度。风机起先工作后，姿态采集模块不断采集当前风力摆姿态角状态，并与之前的状态比较，使得风力摆的运动状态渐渐趋向右平
12、稔.PID算法限制器由佗机转动角度比例P、角度误差枳分I和角度微分D组成。其输入e(t)与输出U(t)的关系为：它的传递函数为:U(r)=P*e(0如“.明G(三)=翳D*5风力摆转动角度比例P：对风力提角速度进行比例调整，即对花机转动速度调整.比例越大，调整速度越快。但不能过大，过大可能造成四风机因工作状态突变而是摆杆不稳定。角度误差积分1：使系统消退稳态误差,提高无差度。加入积分调整可使系统稳定性下降,动态响应变慢。本系统追求更快更稳完成对风力摆的限制，因此，本系统对积分调整的须要就特别弱0即保证在不须要时系统不会受到影响。角度微分D：微分作用反映风力摆角度的改变率，即角速度。具有预见性，
13、能预见偏差改变的趋势因此能产生超前的限制作用,在偏差还没有形成之前,己被微分调整作用消退.因此,可以改善系统的动态性能“在微分时间选择合适状况下,削减调整时间02、角速度的计算依据三角函数学问，已知某一轴的角加速度可以求得对应的用速度。三、电路与程序设计1、电路的设计(O系统总体框图系统包括STM32fM3单片机：轴流风机和电机驱动模块;MPUso50传感器.由四台成九十度放置的轴流机来限制旋转普转动从而来使摆杆摇摆，在摆杆和风机平台相结合处加MPU-6O5O传感器.使提杆一起先能快速得沿一条直线摇拐，并且能保持画出长度偏差不大于25cm的直线段，并且具有较好的重组性.系统总体框图如图3.1所
14、示图3.1系统总体框图(2)MPU6050子系统据图与电路原理图1、MPU-6050子系统框图MPU-6050c国S1ES卜三-EHsE,.“xor*-*oc-E任。eJ；*e-E,ZG,.o.*&:-图3.2MPU-6050子系统框图2、MPU6050子系统电路SC1.RSVDAMSVIKTRKSVMCAVXwCtNCAUXDANCNCCUUNNCFSYNCNCDONCNCV1.OOtCVDDUBgVTGNDCKXTIPVQ40-图3.3MPU-6050子系统电路(3)电机驱动模块子系统框图与电路原理图1、电机聊动模块子系统框图PWM信号信号放大信号输出图3.4电机驱动模块子系统框图(4)电
15、源电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统供应5V或者12V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简沽，都采纳三端稳用管实现，故不作详述。2、程序的设计(1)程序功能描述与设计思路1、程序功能描述依据题R要求软件部分主要实现铺就的设W和显示。1)键盘实现功能：2)显示部分：2、程序设计思路风力摆机械平台(2)程序流程图I、主程序流程图进入直线起振进入直线起振风力投制动四、测试方案与测试结果1测试方案(I)电路功能测试每块电路板分开进行功能测试，进行逐项功能的测试。（2）机械结构测试搭建好机械结构后，利用等重负载进行负载承重和摇投振动测试。（3）硬件软件联调驱动风力撰工作，使激光
16、稳定地在地面画出一条长度不短于50cm的直线段，来回五次，记录其由静止至起先自由摆时间及最大偏差距高。测成结果如表I所示。2、测试条件与仪器测试条件：检杳多次，仿其电路和硬件电路必需与系统原理图完全相同，并且检杳无误，硬件电路保证无虚焊。机械结构通过负载测忒和电机振动测试。测试仪器：数字示波器，数字万用表，卷尺，量角罂，方向角度图纸3、测试结果及分析（1）测试结果（数据）（2）测试分析与结论依据上述测试数据，由此可以得出以卜结论:3、综上所述，本设计达到设计要求。五、结论与心得本次电子设计竞赛，通过对此系统前期的方案设计、方案的选择、方案论证，中期的机械结构的的搭建，硬件的设计和详细程序的实现
17、和后期系统的测试，最终基本能达到要求，通过这次课程设计小组成员之间的分工和合作，沟通协作，各项工作有序的进行，完成这次的设计，我没每个人都有许多的收获，但最大的收获不是这个结果，而是在这个过程中，每个人都学到了许多的新学问，提升了解决问题的实力和如何与他人很好的合作.无论最终测评的结果如何，我们都该为此次竞赛感到兴奋和满意。六、参考文献童诗白,华程英模拟电子技术基础（第四版）MJ.北京:高等教化出版社,2024.2阎石.数字电子技术基础（第五版）M.北京:高等教化出版社,2024.司黄智伟,王彦,陈文光等.全国离校生电子设计竞赛训练教程M.北京:电子工业出版tt,2024.4高祥瑞,唐朝京.全
18、国高校生电了设计竞赛培训系列教程（电了仪器仪表设计）M北京:电子工业出版社2024.5张友德、赵志英、涂时亮.单片微型机原理、应用与实践（第五版）（M,上海：发且高校出版社，2024.郭大祥.新概念51单片机C语言教程.入门、提高、开发M.北京:电子工业出版社，2024.7梁明理.电子线路（第五版）M北京：高等教化出版社,2024.8谭浩强C语言程序设计以.北京:清华高校出版社,2024附录1：电路原理图三三=三三三三y附图1.1MeU部分原理图Header6VCCGXD巾、【八N】7B3vc,h三巾MiP飞【9T-KSC1.SDAINTGXDtfFU6O5OGNDC1.KINFSYNCADO
19、AUX-C1.AVXDA1.ICVDDREGouTGNDCPOUTRESVRESVRESV(yF04附图1.2MPU-6050模块原理图附图1.3驱动模块原理图附录2：源程序inc1.udesys.h/inc1.udeusart.h,#inchidede1.ay.h,#inc1.ude1.ed.h/inc1.ude1.ci.h#inc1.udekey.h#indudempu6050.h#inc1.udeusnart.h#inchideinv-mpu.h#inc1.udeinv_mpu_dmp_motion_driver.h#inc1.udestaticf1.oatError=;staticf1
20、.oat1.astError=O;staticf1.oatPrevError=O;/Error/Error-1./Error-2staticf1.oatd_Error=0,dd_Error=0：#definepi3.I41592653f;intKp=10;intKi=O:intKd=O;u8t=0,report=1.;u8key;doub1.eV*AF1.oatpitch.111.1.,yaw;shortaacxacy,aacz:/A-EU*E6EIstand-1.en=1.055,11=0.75/AA-/61.1.fc%(,DE0-yYshortgyrox.goy,gy11)Z5i(.4YV
21、-EEyYshorttemp;f1.oatfirst-yaw=O;f1.oatcurrent-jaw=O;f1.oatX=OJ5;AA%必A(I1.E/U1.cEI1.,ou/cxeEfAO0voidUSar1.1.SeIK1.Char(U8C)whi1.e(1.SART!-SR0X40)=0)EEizicE1.feiiUSART1.-I)R=c;)/*iyV,0auiAaikufc)(V2.6ow)/funz,At)O.0XA0-0XAB/datajEyYQ0,Ha28!/1.enzdata(o6DDyY.bEyvoidusart1._niming_report(u8fun,u8*data,
22、u81.en)u8scnd-bu1132J;u8i;if(1.en28)return;/i,a28UfeyVsend_buf!1.en+3|=0;/DtS1.eEydAAasendJu110=0X88;Z/O；i-send-bu111.=fun;/,AUOsend-bu112=1.en;ZyY1for(i=0;i1.en;i+)send_buf|3+i=data|i;/6EEYfor(i=0UufIen+3+=scn(1.bu11i;/EE2DCN5ifor(i=0;i1.en+4;i+)usart1._send_char(send_buf1.i|);/,vEIEyYzi1.)1/cEf()E
23、1.J1Ehortaacy3h0rtaacz,shortgyrox,shortgjoy,shortgyroz)u8tb11121;tbuf0)=(aacx8)0XFF;tbuf1.|=aacx&OXFF;tbu112=(aacy8)0XEF;tb113=aacy0XFF;tbu114)=(aacz8)0XFF;tbuf1.5=aacz0XFF;tbu116)=(jyrox8)0XEF;tb117)=gjox0XFFtbu118=(yroy8)A0XFF;tbuf|9j=gyroy&0XFF;IbUf1.10=(g)roz8)&0XFF;tb111.1.=gyrozOXFF:usart1.-ni
24、ming-report(0X1.tbuf,12)*a.0X?1.)/,yziU1EI,aE5()AEi-,EyY.0Zaacx,aac)aaczzx,yjfcy,II.eA6fiCj,fc0/gox,gyroy,gjrozx,ytzEy,iEiAe.i()AY()/ro1.h,o.vi0.011E;-18000-18000100j180.00fE/pitch:.No.1.0.01晒-9000-90001OO；-90.00-90.00,E/yawzoI1.iC.1i*0.ri0-36001.06；0-360.(Tfevoidusart1._reportjniu(shortaacx,shortaa
25、cy.1.shortaacz*hortgvrox,shortgy11)y,shortgyrozshort11)1.1.,shortpitch9shortyaw)u8tbu1128;u8i;or(i=0i8)0XFF;tbuf(1.)=aacx&0XFF;tbuf2j=(aacy)&0XEF;tbu113=aacy0XFE;tbf4=(aacz8)0XFF;tbu115)=aacz0XFF;tbuf1.6j=(gyrox)&0XFF;tbuH7j=gyrox&0XFE;tbuf|8=(gyroy8)&0XFF;tbuf|9)=gyroy&0XFF;tbuf10=(g)roz)&0XFF;tbui
26、1.=gyrozOXEF;tb11181=(ro1.1.8)0XFF;tbuf19=ro1.1.0XFF;tbuf1.20=(pitch)&0XEE;tbufI21=pitch&0XFF;tb1122=(yaw8)0XFF;tbu1123=yaw0XFF;usart1._niming_report(OXAF,tbuUX);/-Ei0iOE%d;,OXAFIiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiivoidT1.M2JWM-1.nit(u1.6arr.u!6psc)/9990999910999rBVZ/TIM2?/?PORTA?/r
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28、APR?11:10AFIO-MAPR&=OXFFFFFCFF;/?MAPR?(9:8UAF1O-MA1,R=11,B5AFIO-MAPR|=0X02(M)03(M);/?JTAG-DP?SW-DP?T1.M2-ARR=arr;Z/?T1.M2-PSC=psc;？/CH2PwM2?/CH2PWM2?/CH2?/TIM2-CCMR1=7CCMR1.=0X7070;UT1M2-CCMR1=1CCMR1=0XO808:TIM2-CCMR2=0X7878;/TIM2-CCER=1CCER=OX1111;TIM2-CR1=0x0080;TIM2-CR1=0x01;)CH1P15/*?PB1.OzPB1.1
29、.?pV、i*/OC2?/OC2?ARPE?？3/CH2PB3/CH3PB1.O/CH49B11Iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiishortget-gjox(f1.oatfirst-j,aw.doub1.epoint,shortcurrent-gyrox,shortCUrren1.gyrOy)doub1.epV0D:doub1.epiECiuDQdoub1.ep1.:CfuCfiU1.fccurrent-gjrox=current-gyrox(16.384)jAQE1.,1.Ep
30、d=ata(pointstan1.Jcn)iECiV,Kp=asin(sqrt(sin(current-gyrox)*sin(crrent-gyrox)+sin(crrent-gjoy)*sin(current,yroy)Vo1.fep1.=sqrt(19.6/11*(cos(p)-cos(pd)；if(abs(p)0)gyrox=fabs(gyrox);e1.se(gyrox=-fabs(gyrox);Ie1.se(gyrox=-asin(sin(p)*cos(yaw);Ireturngyrox;)shortgct-gjoy(f1.oatirst-jaw,doub1.epointshortc
31、urren1.-gyroy,shortcrrent-gyrox)doub1.epJ%Ddoub1.exEUiuAD?doub1.ep1.EUfu,iCEU1:current-gyroy=current.gyroy(16.384)jCfi1.,1.fcpd=atan(pointstand-1.en)*1.XOpiA(E()p=asin(sqrt($in(currcnt_gyn)x)*sin(currcnt_gyrox)+sin(current_gyroy)sin(currentuyroy)CoC1EPI=Sqrt(19.6/11。(COS(P)cos(pd);if(fahs(p)0)gyroy=
32、fabs(gyroy);e1.se(gyroy=-fabs(gyroy);Ie1.se(groy=-asin(sin(p)sin(yaw);Ireturngyroy：(Inub1.ePID_gyrox(shortSe1.Pi1.Ch.shortCurrVn1.PitCh,inikp,intki,intkd)staticdoub1.eSpeedqrox=O:Error=Set-pitch-currcnt-itch;/if(Errorced-gyroy=0;Error=SeJgyroy-Current_gyroy;/if(Error=0)Error=-Error;d-Error=Error-1.a
33、stError;dd_Error=d-Error-PrcvError;1.astError=Error;Uje(k)PrevError=d-Error;/je(k)-je(k-1.)SPee(1.gyrOy=kp*Error+ki*d_Error+kd*dd-Error;returnSpeedqroy;)voidSpCed_contro1.()shorta.b;u1.6max=10,nin=500.nid=750;u16SpCCdI,叩CCd2,SPeed3ccd4;MPU_Ge1.G)TOSCoP&Ryrox,&gyroy,&gyroz);a=get-jox(0.x,gyroxyroy)Et
34、jfuXb=get_gjroy(0,gyroy,gjrox)E1.J1.GAYISspeed1.=PID_gyrox(a.gyrox.Kp,Ki.Kd);speed2=-1.,1.1.)-gyrox(a,gyrox,Kp.Ki,Kd);spce=nax)speed1.=nax;i(speed1.=-max)sped2=-max;if(speed2=nax)speed3=nax;i(sced3=-max)spee14=-max;if(speed4=-min)speed4=-min:TIM_SctComparc1.(TIM2,speed1.+mid);/PA15TIM_SetCOmPare2(TI
35、M2,SPeCd2+mid);PB3TIM_SetCompare3(TIM2,speed3+mid);/PB1.OT1.M_SetCompare4(T1.M2,speed4+mid);/1,B11)/voidTIM3_In1.ni1.(u1.6a11,u1.6PfiC)TIMeTimeBaseInitTypeDefTIMJTimeBaseStructure;NV1.C_InitTypeDefNV1.C_1.nitStructure;RCC_APB1PeriPha(Kkemd(RCC_APB1PeriPhJnM3,ENAB1.E);/66ATIM-TimcBascStructurc.TIM-Pc
36、rio.b.iiDEA)cEei1-1.-OOoO0,ieEUEUAOEfiy,5000iu500msTiMjrimeBasestructure.T1.MePresca1.er=psc;/EfcOAOAAj*TIMxE(M).EAE3yEyA114IOKhzAEEy.-EAETIIV1.TimeBaSeSIrUCt1.1.re.T1.M-CIockDivision=O;/EeOAEOOO.i:TDTS=TckJimT1.MimeBaseStructure.T1.M-CounterMode=T1.M-CounterMode-Up;/TIMIEIEEyAETIM-TimeBaseInit(TIM3
37、,&TIM_TimeBaseStrudure);Z,uVTIM-TimeBaseInitStructD,12yfeTIMxa*uyVt*TIMJTCon11g(7E,A*6BEAUO.TATIMD1.iTINf3,TIM2T1.MT_Update,ENAB1.E/E,AU、VicjnitStructureNVICJRQChanneI=T1.M3_1.RQn;f11M3OJyiNV1.CeInitStructurc,NVIC-IRQChannc1.PrccmptionPriority=0;/IEO6A1.E,i101NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChanne1.SubPr
38、iority=3;/,661.fe31NV1.C_InitStructure.NV!C_iRQChanne1.Cmd=ENAB1.E;/1.RQAE*AUNVIC_Init(&NVIC_InitStructure);/.uYNVIC-InitSt11ct6D.,2IEyE*IaEeNVICziA,ajETIM.Cmd(TIM3,ENAB1.E);/E1.AUT1.MxiaEe)voidT1M3_1RQHand1.er(Void)/T1.M36iyi(ifCnM_GetITSIatUS(TIM3.TIMJTJJpdate)!=RESET)ZVeOJT1.MD11euOenzTIMDi6,TIM_C1.earITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Up1.CDPOINTCo1.oR=RED;/EeOIaHE*1.CD-ShoWStrii1.g(30.50,200,16,16,MiniSTM32,);1.CD_ShowS
