课程设计分析
题目：风力摆控制系统
一、 题目要求
1.基本要求
采用MPU6050和空心杯电机以及任意一款单片机，设计一风力摆控制系统（系统模型图见图1），能够在竖直平面（平面与杆1垂直。下文无特殊说明，所说的竖直平面均与此平面重合）内控制角β的值，即控制摆杆使摆杆的当前位置与初始位置之间的夹角（在竖直平面内）可控。
图1 风力摆控制系统
2.设计要求
（1） 模块必须有总开关，能够控制整个电路是否通电
（2） 主控部分具有复位电路，可采用学院发主控板，也可采用stc15f2k60s2、stm32、k60、plc等主控（要求必须为最小系统板，即除主控必要功能外不得有其他与本设计有关的功能）
（3） 显示部分，要求能够显示自己队伍队长的学号（如采用数码管进行显示，可显示学号后三位），能够显示设定的角度数值和当前角度数值，显示P、I、D的参数数值，其他功能可自行发挥
（4） 系统角度设置要求，基本要求：角度可自定义，最终效果，有一个稳定的摆动角度。设计要求：角度可通过外部输入设备任意给定，并在可容许时间内达到设定角度值。其他要求：其他实现功能可自行发挥
（4）电路板要求自制（可用AD软件自行绘制，如自己绘制需在电路板上注明日期队员姓名队长学号，或者用洞洞板面包板自行搭建），电源模块可用成品
（5）能够清楚知道PID系统中各个参数的意义，并能够实际调试PID参数
（6）如自己绘制电路板、采用高级单片机、或具有创新部分可根据实际情况加分
二.设计难点
（1）机械结构的设计与传感器放置位置选择
（2）角度传感器的数据读取与处理
（3）PID算法的代码实现与参数调试
三.控制方案示意
角度控制可通过角度传感器（MPU6050）反馈角度信息，使用PID算法实现系统的闭环控制。
动力系统可选用空心杯电机提供风力，吹动摆杆在竖直平面内运动，下图为摆杆实现方案示意。
图2 风力摆实现方案示意
思路分析
从“测”、“控”的角度分析，首先是“测”，即使用ＭＰＵ６０５０进行角度的测量，然后是“控”，采用闭环控制系统，系统的输入量是预设的角度，输出量是控制电机速度的ｐｗｍ波，控制器采用ｐｉｄ控制器。基本的工作流程为，设定角度，作为系统的目标值也即系统的参比变量、设定值、系统输入，ＰＩＤ控制器的输入为当前值测量值与设定值的差，将此数据给控制器即可输出ｐｗｍ数值用于执行器——电机的调速作用，由于两侧电机的转速不同则产生的吹力不同，即可使白干产生倾斜，使用测量元件反馈当前角度，从而形成一个单回路闭环控制系统。
硬件选择
一、主控
１．选择一 STC15W408AS
２．选择二 STM32F103C8T6
相关资料请参照此链接，提取码：a7w5
二、显示模块
１．选择一 LCD1602（含ｉｉｃ转接板）
相关资料请参照此链接
为了减少单片机Ｉ/Ｏ口的浪费，所以使用含有转接板的显示屏，该显示屏只需要两个Ｉ/Ｏ口以及一个ＶＣＣ一个ＧＮＤ即可驱动，，由于材料历程为Arduino程序，所以在下文会给出ｓｔｃ１５单片机程序及注释。
２．选择二 0.96寸OLED显示屏
相关资料请参照此链接，提取码：cvux
三、GY-521 MPU6050
相关资料请参照此链接，提取码：es9t
该模块采用ｉｉｃ与主控进行通讯，下文会给予程序和相关注释
四、2路直流电机驱动板模块
其驱动方式可参照L298N的驱动方式，相关资料请参照此链接，下问亦会给出相关代码与注释
五、716空心杯
机械结构
一、碳纤维管
选用８×６×１规格的碳纤维管，以配合轴承使用，也可作为摆杆使用
二、深沟球微型小轴承
采用８×２２×７mm规格的轴承，可替代于摆杆顶部的万向节使用
程序部分（软件）
程序设计思路（个人看法），首先测试每个模块是否可以正常工作，确定模块没有问题，将所有模块组合为一个系统，进行整体功能的测试，实现基本功能后搭建机械结构，进行参数调节，接下来介绍每个模块的程序及测试过程。此处仅针对部分函数进行解释，工程文件见文章末尾网盘链接。
一、LCD1602（含ｉｉｃ转接板）程序
以下代码均位于PCF8574.c文件中
void delay() //延时函数，ｉｉｃ延时使用
{ ;; }
void init()//IIC初始化
{
sda=1;
delay();
scl=1;
delay();
}
void start() //IIC起始信号
{
sda=1;
delay();
scl=1;
delay();
sda=0;
delay();
}
以下为信号的时序图：
void stop() //IIC终止信号
{
sda=0;
delay();
scl=1;
delay();
sda=1;
delay();
}
以下为信号的时序图：
起始和终止信号：
void respons() //等待IIC应答
{
uchar i;
scl=1;
delay();
while((sda==1)&&(i<250))i++;
scl=0;
delay();
}
以下为信号的时序图：
字节传送与应答：
void write_byte(uchar date)//IIC写数据zaixie
{
uchar i,temp;
temp=date;
for(i=0;i<8;i++) //一位一位的写入
{
temp=temp<<1; //左移一位，末位补零，高位溢出到ＣＹ寄存器
scl=0;
delay();
sda=CY;
delay();
scl=1;
delay();
}
scl=0;
delay();
sda=1;
delay();
}
uchar read_byte()//IIC读数据
{
uchar i,k;
scl=0;
delay();
sda=1;
delay();
for(i=0;i<8;i++)
{
scl=1;
delay();
k=(k<<1)|sda; //现将ｋ左移一位，然后一位一位的进行赋值
scl=0;
delay();
}
return k;
}
I2C总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。
jike
void write_add(uchar date1)//写入数据到I/O
{
start();
write_byte(0x4e); //写地址，此处A０ A１ A２ 均为１
respons();
write_byte(date1); //写入的数据
respons();
stop();
}
PCF8574写模式时序图，看前两行即可，下面的没研究！！！
uchar read_add()//读数据，从I/O口
{
uchar date1;
start();
write_byte(0x4f); //读地址，此处A０ A１ A２ 均为１
respons();
date1=read_byte();
respons();
stop();
return date1;
}zaixie
同样前两行，后面看不懂！！！
下表为从机地址表，当ｉｉｃ总线上挂载多个设备时，每个设备都有自己的一个地址，方便主机进行分辨。有关ｉｉｃ总线的从机地址问题可以参考这个博客。
***LCD1602.c***文件中的函数都是对芯片寄存器地址的操作，没必要看的很明白，会用最后一个函数“ShowString”即可。
二、PWM波产生程序
以下程序片段均来自C51-6050-UART.C
sbit left_moto_pwm = P3^2;
sbit right_moto_pwm = P3^3;// i/o定义
unsigned char pwm_val_right = 0; //电机pwm周期
unsigned char push_val_right = 0; //电机pwm占空比
unsigned char pwm_val_left = 0; //电机pwm周期
unsigned char push_val_left = 0; //电机pwm占空比
/*********************定时器初始化************************/
void TimerInit()
{
TMOD=0X11; //设置定时器工作方式
TH0=(65536-100)/256; //100US定时
TL0=(65536-100)%256;
TR0= 1; //打开定时器１
ET0= 1; //打开定时器１中断
EA = 1; //开总中断
}
/*********************左电机pwm输出***********************/
void pwm_out_lift_moto()
{
if(pwm_val_left <= push_val_left)
left_moto_pwm = 1;
else
left_moto_pwm = 0;
if(pwm_val_left > 100)
pwm_val_left = 0;
}
/*********************右电机pwm输出***********************/
void pwm_out_right_moto()
{
if(pwm_val_right <= push_val_right)
right_moto_pwm = 1;
else
right_moto_pwm = 0;
if(pwm_val_right > 100)
pwm_val_right = 0;
}
/***************定时器中断*************/
void time0() interrupt 1 using 3
{
TH0=(65536-10)/256; //装初值
TL0=(65536-10)%256;
pwm_val_left++; //电机pwm周期
pwm_val_right++; //电机pwm周期
pwm_out_lift_moto(); //左电机pwm输出
pwm_out_right_moto(); //右电机pwm输出
}
程序就类似于下面这个坐标系，横轴是pwm_val_left，忘写了！！！
在一个周期内高电平占比越大，电机转的也就越快，这就是ｐｗｍ的意思了！！！！
就先到这吧，剩下的ｉｍｕ的应用及补充ｐｉｄ等开学在写！！！！
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