摘要：本系統采用STC12C5A60S2為主控芯片，通過MPU6050傳感器提供反饋信息、采用PID控制算法調整軸流風機的狀態、在液晶和按鍵的人機交互作用下顯示并切換工作模式，形成一閉環測控系統。該測控系統通過控制驅動各風機，使風力擺按照一定規律運動，同時保證擺桿下方懸掛的激光筆能在地面畫出要求的軌跡。

關鍵詞：風力擺  STC12單片機  軸流風機

一、設計任務

一長約 60cm~70cm 的細管上端用萬向節固定在支架上，下方懸掛一組（2~4 只）直流風機，構成一風力擺。風力擺上安裝一向下的激光筆，靜止時，激光筆的下端距地面不超過 20cm。設計一測控系統，控制驅動各風機使風力擺按照一定規律運動，激光筆在地面畫出要求的軌跡。具體要求可參看設計任務書。

二、方案論證

根據題目要求，此測控系統完成控制風力擺按照一定規律運動、使激光筆在地面上畫出規定軌跡的任務。其通過按鍵與ＬＣＤ三級子菜單，在不同工作模式間切換，完成相應的控制任務，關鍵在于反饋信息的準確和對軸流風機的控制。為此我們將系統分為五個模塊，并對各個模塊的方案進行了評估選擇。系統整體方案框圖如圖 1 所示：

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2018-6-1 03:56 上傳

在硬件方面，本系統采用了STC12C5A60S2最小系統板、12864液晶以及其他外圍模塊。相應的電路圖和PCB板可參看附錄1。

其簡化的模型如圖5所示。很顯然，在該模型中擺桿的位置到圓心A的距離與角度α成單值函數關系。在執行風力擺擺直線的工作模式時，只要根據反饋的角度α，在確定了擺桿的長度的前提下，即可由式1得到擺桿所能擺直線的長度D：

由于 ，而事實上，擺桿擺起的高度可以近似忽略，則

3.1.2 擺圓運動的控制

，  （公式3）

3.2  軟件實現

在有了一定的理論基礎，并構建了相應的硬件電路之后，控制任務將完全依賴于程序實現。而此系統的關鍵在于，根據反饋角度對軸流風機進行較精確的控制。這一精確控制體現在PWM的控制中，因此控制算法的選擇尤為重要。

本系統采用增量式PID控制公式：（如下所示）

△u(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]，  （公式4）

于本控制系統而言，誤差即給定值與反饋的到的姿態角之間的差值。經過計算得到u（k）作為控制器的輸出，調節風機轉速，這一改變直接作用于被控對象，最終達到控制效果。這一過程中控制質量的優劣，關鍵在于PID控制算式中比例系數Kp、積分時間Ki和微分時間Kd的整定。本系統整定主要采用了經驗試湊法，這里不再贅述。

static float Kpx=18.7; //X 軸傾角乘以相應系數進行歸一化處理

static float Kdx=0.20; // X 軸角速度歸一化

static float Kpy=20.4; //Y 軸傾角實時傾角乘以相應系數進行歸一化處理

static float DY=0.20; // Y 軸角速度歸一化

float R；//半徑長度；

float θ；//目標傾角；

void Angle (void)

{

int X_PWM, Y_PWM;

int nSpeed;

int nPx, nDx;

int nPy, nDy;

θ = arctan(R/L);

nPx= (int)（θ-angle x）*Kpx; //X 軸傾角與目標值的偏差,比例環節

nDx = (int)speed_x*Kdx; //擺桿 X 軸向角速度，微分環節

nSpeedx = nDx + nPx; //實時角度+實時角速度，作為控制輸入量

nPy= (int)(0-angel_y)*Kpy; //擺桿 Y 軸向傾角，比例環節

nDy = (int)speed_y*Kdy; //擺桿 Y 軸向角速度，微分環節

nSpeedy = nDy + nPy; //實時角度+實時角速度，作為控制輸入量

X_PWM = nSpeedx*; //轉化成 PWM 脈寬調制的直接控制量

Y_PWM = nSpeedy;

Motor (X_PWM, Y_PWM);//輸出 PWM 信號作用于軸流風機

}

4.3工作中的計時器

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2018-5-31 20:12 上傳

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