葛 強，翟 羽，陳 強，馬艷艷，王冠凌（.安徽工程大學 數(shù)理學院；.安徽工程大學 電氣工程學院，安徽 蕪湖 4000）

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基于MK60單片機主控的風力擺系統(tǒng)設計

葛 強1，翟 羽2，陳 強2，馬艷艷2，王冠凌2
（1.安徽工程大學 數(shù)理學院；2.安徽工程大學 電氣工程學院，安徽 蕪湖 241000）

摘 要：采用MK60FX512單片機為主控模塊，設計了主要包含角度監(jiān)測模塊、直流風機驅動模塊、聲光提示模塊和電源模塊的風力擺控制系統(tǒng).通過讀取陀螺儀MPU9150的輸出數(shù)據來獲取姿態(tài)數(shù)據，以計算出擺動幅度和角度，采用PID控制技術對電機實現(xiàn)閉環(huán)調節(jié),利用3D打印技術制作了風機安裝托盤，減小了風機之間氣流串擾.經測試，該系統(tǒng)能很好的實現(xiàn)題目要求.

關鍵詞：MK60單片機；風力擺；姿態(tài)解算；PID；3D打印

1 引言

云計算、大數(shù)據、歐洲工業(yè)4.0、我國工業(yè)2.5、物聯(lián)網（Internet of Things，IOT）、智慧城市（Smart City）……廣為傳播，強調以人思維主導，依據客觀信息，選擇運用知識，進行智能控制實踐，提升服務人類質量，推動社會發(fā)展.現(xiàn)代檢測技術和自動控制理論的飛速發(fā)展［1-3］，能夠使得人們可以設計高精度的控制系統(tǒng)，本文基于MK60單片機主控的風力擺系統(tǒng)就是這些技術和理論的應用實例之一.

本文以2015年全國大學生電子設計競賽B題為背景，設計并制作了一個風力擺控制系統(tǒng).該系統(tǒng)以直流風機作為動力使得風力擺能夠快速起擺，通過陀螺儀測量風力擺姿態(tài)數(shù)據［4］，傳送到主控制器MK60FX512中，經計算得到風力擺的擺動角度與幅度，采用PID控制技術［5］對電機實現(xiàn)閉環(huán)調節(jié)［6］，調節(jié)風機風力大小，使風力擺按要求擺動.系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：可設置擺動方向和幅度；能夠按要求畫線段或圓；能夠在拉起30°～45°時迅速恢復靜止；能夠在風扇風吹影響后快速恢復畫圓狀態(tài).另外，設計中采用了3D打印技術，用聚乳酸塑料（Polylactic Acid，PLA）打印制作了十字型風機支架，隔離了4個軸流風機之間的影響，提高了風力擺的穩(wěn)定性.整個設計新穎，充分利用了新興的技術和手段，系統(tǒng)設計可使用在機器人手臂的姿態(tài)控制［7-8］、風力發(fā)電機方向控制［9-10］等工程應用領域.

2 方案論證與比較

2.1 風力擺運動控制方案論證與選擇

由于僅采用風機驅動，為實現(xiàn)題目要求，需要通過控制風機轉速來控制風力擺的狀態(tài).若僅采用2只直流風機作為動力系統(tǒng)，不易控制，較難完成題目要求，故不予考慮.可選擇的方案有：

方案一：采用3只直流風機作為動力系統(tǒng).三只風機360°均布，風口朝外.但是相鄰兩風機夾角過大，不利于精確控制風力擺的狀態(tài).

方案二：采用4只直流風機作為動力系統(tǒng).十字方向布置，風口朝外.雖然，此方案風力擺的質量較大，但對于控制風力擺狀態(tài)最為精確，且動力最足.

綜合上述比較，考慮系統(tǒng)的快速工作以及精確控制，本系統(tǒng)采用方案二.

2.2 風力擺角度檢測模塊的論證與選擇

角度檢測模塊檢測風力擺與水平方向的夾角以及檢測擺桿與垂直方向的夾角，可選方案有：

方案一：采用MPU9150傳感器.該傳感器具有九軸，將加速度計、陀螺儀、磁力傳感器的輸出值，融合成單一的演算技術數(shù)據流，可輕易將運動感測為界面的功能.

方案二：采用AS5040傳感器.該芯片由AM-SCO公司生產的一種非接觸、高分辨力編碼、可在0°～360°范圍內進行角度測量的傳感器芯片.但是，為了測量角度，需要使用兩極磁鐵在芯片的中心旋轉，這樣使得系統(tǒng)更加復雜，且增加了電機負載.

方案三：采用傾角傳感器SCA100T-D02，SCA100T-D02是一種靜態(tài)加速度傳感器，當加速度傳感器靜止時（也就是側面和垂直方向沒有加速度），作用在它上面的重力加速度.重力（垂直）和加速度傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角.它測量的角度范圍僅為X軸和Y軸正負九十度.

綜合考慮采用方案一中的MPU9150加速度傳感器.

2.3 電動機選型方案論證

方案一：使用飛卡車模伺服電機，該電機具有低轉速大慣量，轉矩大，起動力矩大的特點.

方案二：使用軸流風機，該電機的流量大，工作時效率高，并且適用范圍廣.軸流風機在高速時更加穩(wěn)定，而且安裝方便.

綜合比較以上兩個方案，本系統(tǒng)選擇方案二.

2.4 控制算法的選擇

方案一：采用模糊控制算法.模糊控制有許多良好的特性，它不需要事先知道對象的數(shù)學模型，具有系統(tǒng)響應快、超調小、過渡過程時間短等優(yōu)點.但編程復雜，數(shù)據處理量大.

方案二：采用PID控制算法.按比例、積分、微分的函數(shù)關系，進行運算，將運算結果用于控制.優(yōu)點是控制精度高，且算法簡單明了.對于本系統(tǒng)的控制已足夠精確，節(jié)約了單片機的資源和運算時間.

綜合比較以上兩個方案，本系統(tǒng)選擇方案二.

3 系統(tǒng)分析及風力擺角度計算

圖1 擺球受力分析

在研究擺球沿圓弧的運動情況時，無需考慮與擺球運動方向垂直的力，只要考慮擺球運動方向的力.因為F垂直于v，所以，可將重力G分解到速度v的方向G1及垂直于v的方向G2，且G1=mgsinθ，G2=mgcosθ，如圖1所示.

正是沿運動方向的合力G1=mgsinθ提供了擺球擺動的回復力，使得單擺做簡諧運動，運動軌跡為正弦曲線.s表示擺球偏離平衡位置的位移l表示單擺的擺長，h表示擺球于最高點距圓心的垂直距離，此時擺球與垂直方向夾角為α.h1表示擺球與垂直方向夾角為θ時距圓心的垂直距離，此時擺球線速度為v.由動量守恒定律：

由于存在空氣阻力及擺桿摩擦力等阻尼因素，擺球能量會損耗，假設一個周損耗E1，則風力擺需要一個周期作同樣大小的功E2（E2=E1）才能使得自身做理想單擺運動，則（1）式相應變?yōu)椋?/p>

由于E1不方便測量，所以實際應用中通過PID實時調節(jié)電機轉速，使得風力擺的角度和角速度滿足（2）式，則此時風力擺擺動一個周期所做的功即和損耗的功相同，風力擺做理想單擺運動.通過控制最大擺角α即可達到控制激光筆劃線長度.

4 系統(tǒng)設計

4.1 電路設計

4.1.1 系統(tǒng)總體框圖

如圖2所示為系統(tǒng)總體框圖，系統(tǒng)主要由MK60FX512單片機、MPU9150角度監(jiān)測模塊、直流風機驅動模塊、聲光提示模塊和電源模塊等部分組成.

圖2 系統(tǒng)總體框圖

4.1.2 電源的設計

電源的設計框圖如圖3所示，電源電路原理圖如圖4所示.PWM發(fā)生器SG3525產生PWM波，經過全橋驅動電路MC33883驅動MOS管全橋，最終輸出12V電壓.

圖3 電源電路框圖

圖4 電源電路原理圖

4.1.3 角度檢測模塊設計

采用高精度的陀螺儀加速度計MPU9150可以不斷采集風力擺姿態(tài)角數(shù)據，設計如圖5所示.由于MPU9150和所有設備的通信采用400kHz的I2C接口，可以實現(xiàn)高速通信.且內置的可編程卡爾曼濾波器采用最優(yōu)化自回歸數(shù)據處理算法，能精確測量風力擺當前姿態(tài).

圖5 MPU9150原理圖

4.1.4 電機驅動模塊設計

圖6 H橋驅動原理圖

如圖6所示，當EN為高電平，PWM_L_1為高電平，PWM_L_2為低電平時，M1和M4 MOS管導通，直流電機正轉（反轉）；當EN為高電平，PWM_L_1為低電平，PWM_L_2為高電平時，M2和M3 MOS管導通，直流電機反轉（正轉）.IR2184S場效應管驅動器HO和LO管腳輸出電平總為相反電平，有效避免了H橋驅動電路共態(tài)導通的問題，保護了MOS管.

4.2 關鍵部件的機械設計

題目要求風力擺能夠完成畫直線、定點和圓，所以對機械結構要求較高.采用Creator 3D打印機打印的支架能夠滿足需要.支架結構采用十字架的方式，隔離了4個軸流風機之間的影響，提高了風力擺的穩(wěn)定性，如圖7所示.

圖7 風力擺及關鍵部件機械設計效果圖

4.3 程序設計

4.3.1 程序流程圖

如圖8所示為系統(tǒng)控制程序流程圖，其中包含主程序流程和中斷程序流程.

圖8 程序流程圖

4.3.2 程序功能分析

基于題目要求需要控制風力擺做線性擺動和圓周擺動，圓周擺動可以分解為兩個正交軸上的相位相差九十度的線性擺動.

線性擺動：控制器采集MPU9150的加速度計和陀螺儀值，通過四元素姿態(tài)解算出風力擺的角度，利用卡爾曼濾波得到小噪聲角度，根據角度和陀螺儀測量的加速度PID控制風機使得風力擺做單擺運動.

圓周擺動：控制風力擺做兩個正交軸上的線性擺動，一個軸的風機極性切換利用陀螺儀的零值，另外一個軸利用角度的零值.即可做到兩個軸相位相差九十度.

5 測試方案及結果

5.1 測試設備及方式試驗中所用的測試設備有：萬用表、測試圖紙、12v穩(wěn)壓電源，激光筆等.

測試方法描述如下：

（1）幅度可控的直線測試.首先粗給角度值讓激光點靠近目標區(qū)域，再細給角度值，讓激光點精確落在目標區(qū)域的線上；通過多次試驗驗證在此角度值下直線線性穩(wěn)定性.

（2）定點測試.人工給風力擺一個角度，同時秒表計時，測試至靜止的時間，根據時間再來調PWM直至在規(guī)定時間內恢復到靜止.

（3）圓周測試.首先給定某個參數(shù)，讓風力擺作圓周運動，觀察激光點的軌跡在測試圖紙上的偏移量，根據偏移量的大小重新矯正參數(shù).

5.2 測試數(shù)據

（1）驅動風力擺工作，使激光筆穩(wěn)定地在地面畫出一條長度不短于50cm的直線段，來回五次，記錄其由靜止至開始自由擺時間及最大偏差距離.測試結果如表1所示.

表1 靜止開始畫直線測試數(shù)據

（2）設置風力擺畫線長度，驅動風力擺工作，記錄其由靜止至開始自由擺時間及在畫不同長度直線時的最大偏差距離.測試結果如表2所示.

表2 規(guī)定畫線長度測試數(shù)據

（3）設置風力擺自由擺時角度，驅動風力擺工作，記錄其由靜止至開始自由擺時間及在畫不同角度直線時的最大偏差距離.測試結果如表3所示.

表3 規(guī)定風力擺初始角度測試數(shù)據

（4）將風力擺拉起一定角度放開，驅動風力擺工作，測試風力擺制動達到靜止狀態(tài)所用時間.測試結果如表4所示.

表4 自由擺動至靜止測試數(shù)據

6 結論

本文設計并制作了一個風力擺控制系統(tǒng).經測試，系統(tǒng)可以在13s內由靜止開始畫出達到要求的線段，且幅度和方向可調；拉起擺桿，5s內即可靜止；20s內可從靜止開始重復3次畫出滿足要求的圓，所畫圓半徑可調，且受外界風力影響后能迅速恢復.該系統(tǒng)操作簡單，性能可靠，技術指標達到了設計要求，具有良好的人機交互性能.

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中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）05-0011-04

收稿日期：2016-02-28

基金項目：安徽大學光電信息獲取與控制教育部重點實驗室開放基金（OEIAM201412）；安徽省高等教育提升計劃自然科學研究基金（TSKJ2015B15）