2015 年全国大学生电子设计竞赛
风力摆控制系统（B 题）
2015 年 8 月 15 日
摘要: 风力摆控制系统的设计以 MK60N512VMD100 微控制器为核心控制单元，集
成姿态采集模块、风力摆模块、液晶显示模块、上位机以及风力摆机械结构组成
的闭环控制系统。利用开关电源给系统提供电源，使用 MPU6050 采集风力摆姿态，
单片机处理姿态角数据后通过 PID 精确算法调节直流风机以控制风力摆。该系统
实现了风力摆在仅受直流风机为动力控制下快速起摆、画线、恢复静止的功能，
并能准确画圆，且受风力影响后能够快速恢复画圆状态。
关键词：MPU6050；轴流风机；PID;K60
目 录
一、系统方案 ........................................................ 2
1、主控芯片的论证与选择 ......................................... 2
2、风力摆运动控制方案论证与选择 ................................. 2
3、轴流风机的论证与选择 ......................................... 2
二、系统理论分析与计算 .............................................. 3
1、风力摆的分析 ................................................. 3
（1）风力摆状态的测量与计算 ................................. 3
（2）风力摆运动控制的分析 .................................... 3
2、MPU6050 的计算 ................................................ 3
（1）MPU6050 的量程和测量精度 ................................ 3
三、电路与程序设计 .................................................. 4
1、电路的设计 ................................................... 4
（1）系统总体框图 ............................................ 5
（2）电源 .................................................... 5
2、程序的设计 ................................................... 6
（1）程序功能描述与设计思路 .................................. 6
（2）程序流程图 .............................................. 6
四、测试方案与测试结果 .............................................. 7
1、测试方案 ..................................................... 7
2、测试条件与仪器 ............................................... 7
3、测试结果及分析 ............................................... 7
（1）测试结果(数据) .......................................... 7
五、结论与心得 ...................................................... 8
六、参考文献 ........................................................ 9
1
风力摆控制系统（B 题）
【本科组】
一、系统方案
本风力摆控制系统主要包括单片机控制模块、电源模块、姿态采集模块、风力摆模
块、液晶显示模块、上位机以及风力摆机械结构组成。风力摆由一长约 60cm~70cm 的
细管上端用万向节 固定在支架上，下方悬挂一组（ 2~4 只）轴流风机。位于摆杆上的
姿态采集模块采集风力摆当前姿态角度，并 反馈给单片机。单片机通过一系列算法和 PID
控制来处理反馈回来的数据，而后通过控制 PWM 占空比控制不同位置的风机转速，实现
对风力摆的控制。本系统结构框图如图 1.1 所示。
图 1.1 风力摆控制系统结构框图
图 1.2 风力摆结构示意图
单片机主控制系统
姿态采集模块
风力摆模块
上位机
液晶及按键模块
风机组
摆杆
万向节
基本支架
