基于MK60單片機(jī)主控的風(fēng)力擺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

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基于MK60單片機(jī)主控的風(fēng)力擺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

摘 要：采用MK60FX512單片機(jī)為主控模塊，設(shè)計(jì)了主要包含角度監(jiān)測(cè)模塊、直流風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、聲光提示模塊和電源模塊的風(fēng)力擺控制系統(tǒng).通過讀取陀螺儀MPU9150的輸出數(shù)據(jù)來獲取姿態(tài)數(shù)據(jù)，以計(jì)算出擺動(dòng)幅度和角度，采用PID控制技術(shù)對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié),利用3D打印技術(shù)制作了風(fēng)機(jī)安裝托盤，減小了風(fēng)機(jī)之間氣流串?dāng)_.經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)能很好的實(shí)現(xiàn)題目要求.

關(guān)鍵詞：MK60單片機(jī)；風(fēng)力擺；姿態(tài)解算；PID；3D打印

1 引言

云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、歐洲工業(yè)4.0、我國工業(yè)2.5、物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT）、智慧城市（Smart City）……廣為傳播，強(qiáng)調(diào)以人思維主導(dǎo)，依據(jù)客觀信息，選擇運(yùn)用知識(shí)，進(jìn)行智能控制實(shí)踐，提升服務(wù)人類質(zhì)量，推動(dòng)社會(huì)發(fā)展.現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)和自動(dòng)控制理論的飛速發(fā)展［1-3］，能夠使得人們可以設(shè)計(jì)高精度的控制系統(tǒng)，本文基于MK60單片機(jī)主控的風(fēng)力擺系統(tǒng)就是這些技術(shù)和理論的應(yīng)用實(shí)例之一.

本文以2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽B題為背景，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)風(fēng)力擺控制系統(tǒng).該系統(tǒng)以直流風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力使得風(fēng)力擺能夠快速起擺，通過陀螺儀測(cè)量風(fēng)力擺姿態(tài)數(shù)據(jù)［4］，傳送到主控制器MK60FX512中，經(jīng)計(jì)算得到風(fēng)力擺的擺動(dòng)角度與幅度，采用PID控制技術(shù)［5］對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)［6］，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)力大小，使風(fēng)力擺按要求擺動(dòng).系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：可設(shè)置擺動(dòng)方向和幅度；能夠按要求畫線段或圓；能夠在拉起30°～45°時(shí)迅速恢復(fù)靜止；能夠在風(fēng)扇風(fēng)吹影響后快速恢復(fù)畫圓狀態(tài).另外，設(shè)計(jì)中采用了3D打印技術(shù)，用聚乳酸塑料（Polylactic Acid，PLA）打印制作了十字型風(fēng)機(jī)支架，隔離了4個(gè)軸流風(fēng)機(jī)之間的影響，提高了風(fēng)力擺的穩(wěn)定性.整個(gè)設(shè)計(jì)新穎，充分利用了新興的技術(shù)和手段，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可使用在機(jī)器人手臂的姿態(tài)控制［7-8］、風(fēng)力發(fā)電機(jī)方向控制［9-10］等工程應(yīng)用領(lǐng)域.

2 方案論證與比較

2.1 風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)控制方案論證與選擇

由于僅采用風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)題目要求，需要通過控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來控制風(fēng)力擺的狀態(tài).若僅采用2只直流風(fēng)機(jī)作為動(dòng)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(fēng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng).三只風(fēng)機(jī)360°均布，風(fēng)口朝外.但是相鄰兩風(fēng)機(jī)夾角過大，不利于精確控制風(fēng)力擺的狀態(tài).

方案二：采用4只直流風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng).十字方向布置，風(fēng)口朝外.雖然，此方案風(fēng)力擺的質(zhì)量較大，但對(duì)于控制風(fēng)力擺狀態(tài)最為精確，且動(dòng)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(fēng)力擺角度檢測(cè)模塊的論證與選擇

角度檢測(cè)模塊檢測(cè)風(fēng)力擺與水平方向的夾角以及檢測(cè)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(jì)、陀螺儀、磁力傳感器的輸出值，融合成單一的演算技術(shù)數(shù)據(jù)流，可輕易將運(yùn)動(dòng)感測(cè)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(chǎn)的一種非接觸、高分辨力編碼、可在0°～360°范圍內(nèi)進(jìn)行角度測(cè)量的傳感器芯片.但是，為了測(cè)量角度，需要使用兩極磁鐵在芯片的中心旋轉(zhuǎn)，這樣使得系統(tǒng)更加復(fù)雜，且增加了電機(jī)負(fù)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(dāng)加速度傳感器靜止時(shí)（也就是側(cè)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(cè)量的角度范圍僅為X軸和Y軸正負(fù)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(dòng)機(jī)選型方案論證

方案一：使用飛卡車模伺服電機(jī)，該電機(jī)具有低轉(zhuǎn)速大慣量，轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)力矩大的特點(diǎn).

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

綜合比較以上兩個(gè)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(duì)象的數(shù)學(xué)模型，具有系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)小、過渡過程時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn).但編程復(fù)雜，數(shù)據(jù)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(guān)系，進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果用于控制.優(yōu)點(diǎn)是控制精度高，且算法簡(jiǎn)單明了.對(duì)于本系統(tǒng)的控制已足夠精確，節(jié)約了單片機(jī)的資源和運(yùn)算時(shí)間.

綜合比較以上兩個(gè)方案，本系統(tǒng)選擇方案二.

3 系統(tǒng)分析及風(fēng)力擺角度計(jì)算

圖1 擺球受力分析

在研究擺球沿圓弧的運(yùn)動(dòng)情況時(shí)，無需考慮與擺球運(yùn)動(dòng)方向垂直的力，只要考慮擺球運(yùn)動(dòng)方向的力.因?yàn)镕垂直于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(yùn)動(dòng)方向的合力G1=mgsinθ提供了擺球擺動(dòng)的回復(fù)力，使得單擺做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)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(diǎn)距圓心的垂直距離，此時(shí)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(shí)距圓心的垂直距離，此時(shí)擺球線速度為v.由動(dòng)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(huì)損耗，假設(shè)一個(gè)周損耗E1，則風(fēng)力擺需要一個(gè)周期作同樣大小的功E2（E2=E1）才能使得自身做理想單擺運(yùn)動(dòng)，則（1）式相應(yīng)變?yōu)椋?/p>

由于E1不方便測(cè)量，所以實(shí)際應(yīng)用中通過PID實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得風(fēng)力擺的角度和角速度滿足（2）式，則此時(shí)風(fēng)力擺擺動(dòng)一個(gè)周期所做的功即和損耗的功相同，風(fēng)力擺做理想單擺運(yùn)動(dòng).通過控制最大擺角α即可達(dá)到控制激光筆劃線長度.

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 電路設(shè)計(jì)

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(jī)、MPU9150角度監(jiān)測(cè)模塊、直流風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)

電源的設(shè)計(jì)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(chǎn)生PWM波，經(jīng)過全橋驅(qū)動(dòng)電路MC33883驅(qū)動(dòng)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(cè)模塊設(shè)計(jì)

采用高精度的陀螺儀加速度計(jì)MPU9150可以不斷采集風(fēng)力擺姿態(tài)角數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)如圖5所示.由于MPU9150和所有設(shè)備的通信采用400kHz的I2C接口，可以實(shí)現(xiàn)高速通信.且內(nèi)置的可編程卡爾曼濾波器采用最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法，能精確測(cè)量風(fēng)力擺當(dāng)前姿態(tài).

圖5 MPU9150原理圖

4.1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

圖6 H橋驅(qū)動(dòng)原理圖

如圖6所示，當(dāng)EN為高電平，PWM_L_1為高電平，PWM_L_2為低電平時(shí)，M1和M4 MOS管導(dǎo)通，直流電機(jī)正轉(zhuǎn)（反轉(zhuǎn)）；當(dāng)EN為高電平，PWM_L_1為低電平，PWM_L_2為高電平時(shí)，M2和M3 MOS管導(dǎo)通，直流電機(jī)反轉(zhuǎn)（正轉(zhuǎn)）.IR2184S場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器HO和LO管腳輸出電平總為相反電平，有效避免了H橋驅(qū)動(dòng)電路共態(tài)導(dǎo)通的問題，保護(hù)了MOS管.

4.2 關(guān)鍵部件的機(jī)械設(shè)計(jì)

題目要求風(fēng)力擺能夠完成畫直線、定點(diǎn)和圓，所以對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)要求較高.采用Creator 3D打印機(jī)打印的支架能夠滿足需要.支架結(jié)構(gòu)采用十字架的方式，隔離了4個(gè)軸流風(fēng)機(jī)之間的影響，提高了風(fēng)力擺的穩(wěn)定性，如圖7所示.

圖7 風(fēng)力擺及關(guān)鍵部件機(jī)械設(shè)計(jì)效果圖

4.3 程序設(shè)計(jì)

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(fēng)力擺做線性擺動(dòng)和圓周擺動(dòng)，圓周擺動(dòng)可以分解為兩個(gè)正交軸上的相位相差九十度的線性擺動(dòng).

線性擺動(dòng)：控制器采集MPU9150的加速度計(jì)和陀螺儀值，通過四元素姿態(tài)解算出風(fēng)力擺的角度，利用卡爾曼濾波得到小噪聲角度，根據(jù)角度和陀螺儀測(cè)量的加速度PID控制風(fēng)機(jī)使得風(fēng)力擺做單擺運(yùn)動(dòng).

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

5 測(cè)試方案及結(jié)果

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

測(cè)試方法描述如下：

（1）幅度可控的直線測(cè)試.首先粗給角度值讓激光點(diǎn)靠近目標(biāo)區(qū)域，再細(xì)給角度值，讓激光點(diǎn)精確落在目標(biāo)區(qū)域的線上；通過多次試驗(yàn)驗(yàn)證在此角度值下直線線性穩(wěn)定性.

（2）定點(diǎn)測(cè)試.人工給風(fēng)力擺一個(gè)角度，同時(shí)秒表計(jì)時(shí)，測(cè)試至靜止的時(shí)間，根據(jù)時(shí)間再來調(diào)PWM直至在規(guī)定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到靜止.

（3）圓周測(cè)試.首先給定某個(gè)參數(shù)，讓風(fēng)力擺作圓周運(yùn)動(dòng)，觀察激光點(diǎn)的軌跡在測(cè)試圖紙上的偏移量，根據(jù)偏移量的大小重新矯正參數(shù).

5.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

（1）驅(qū)動(dòng)風(fēng)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(shí)間及最大偏差距離.測(cè)試結(jié)果如表1所示.

表1 靜止開始畫直線測(cè)試數(shù)據(jù)

（2）設(shè)置風(fēng)力擺畫線長度，驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺工作，記錄其由靜止至開始自由擺時(shí)間及在畫不同長度直線時(shí)的最大偏差距離.測(cè)試結(jié)果如表2所示.

表2 規(guī)定畫線長度測(cè)試數(shù)據(jù)

（3）設(shè)置風(fēng)力擺自由擺時(shí)角度，驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺工作，記錄其由靜止至開始自由擺時(shí)間及在畫不同角度直線時(shí)的最大偏差距離.測(cè)試結(jié)果如表3所示.

表3 規(guī)定風(fēng)力擺初始角度測(cè)試數(shù)據(jù)

（4）將風(fēng)力擺拉起一定角度放開，驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺工作，測(cè)試風(fēng)力擺制動(dòng)達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)所用時(shí)間.測(cè)試結(jié)果如表4所示.

表4 自由擺動(dòng)至靜止測(cè)試數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)風(fēng)力擺控制系統(tǒng).經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)可以在13s內(nèi)由靜止開始畫出達(dá)到要求的線段，且幅度和方向可調(diào)；拉起擺桿，5s內(nèi)即可靜止；20s內(nèi)可從靜止開始重復(fù)3次畫出滿足要求的圓，所畫圓半徑可調(diào)，且受外界風(fēng)力影響后能迅速恢復(fù).該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，性能可靠，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有良好的人機(jī)交互性能.

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中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-260X（2016）05-0011-04

收稿日期：2016-02-28

基金項(xiàng)目：安徽大學(xué)光電信息獲取與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（OEIAM201412）；安徽省高等教育提升計(jì)劃自然科學(xué)研究基金（TSKJ2015B15）