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
本系统采用 STM32F103V 开发板作为控制中心，与万向节、摆杆、直流风
机（无刷电机+扇叶）、激光头、反馈装置一起构成摆杆运动状态与风机速度分
配的双闭环调速系统。单片机输出可变的 PWM 波给电机调速器，控制 4 个方向上
风机的风速，从而产生大小不同的力。利用加速度计模块 MPU6050，准确测出摆
杆移动的位置与中心点位置之间的关系，采样后反馈给单片机，使风机及时矫正，
防止脱离运动轨迹。使用指南针模块判别方向，控制系统向指定方向偏移。控制
方式采用 PID 算法，比例环节进行快速响应，积分环节实现无静差，微分环节减
小超调，加快动态响应。从而使该系统具有良好的性能，能很好地实现自由摆运
动、快速制动静止、画圆、指定方向偏移，具有很好地稳定性。
关键词：STM32F103V、直流风机、MPU6050、PID、指南针 GY-273
Abstract ： This system adopts the STM32F103V development board as the control
center, and the universal joint, swinging rod, dc fan (brushless motor + blades), laser,
feedback device together form the swinging rod motion state and fan speed distribution of
the double closed loop speed regulation system. MCU output variable PWM waves to the
motor speed, control four directions wind speed of the fan, to produce different size. Using
accelerometer module MPU6050, accurately measure the position of swinging rod mobile
and center position, the relationship between the sampling after feedback to the single
chip microcomputer, the fan timely correction, prevent from the trajectory. Use the
compass module judging direction, deviation control system to a specified direction. Using
PID algorithm control method, proportion link for quick response, integral element to
realize astatic, differential link decrease overshoot, speed up the dynamic response. So
that the system has good performance, which can well realize the pendulum movement,
fast brake static, circle, specify the direction deviation, has a good stability.
Keywords: STM32F103V, dc fan, MPU6050, PID, compass GY - 273
目 录
一、系统方案..................................................................1
1.1 系统基本方案.....................................................................................................................1
1.1.1 控制方案设计..........................................................................................................1
1.1.2 机械结构方案设计..................................................................................................1
1.2 各部分方案选择与论证.....................................................................................................2
1.2.1 电机选择...................................................................................................................2
1.2.2 电机驱动的选择......................................................................................................2
1.2.3 摆杆与横杆的连接选择..........................................................................................2
1.2.4 摆杆与风机的连接选择..........................................................................................3
二、 系统理论分析与计算.......................................................3
2.1 风力摆位置的计算与分析..................................................................................................3
2.2 风力摆运动状态的分析..............................................................................................3
2.3 控制算法的分析..........................................................................................................4
三、电路与程序设计............................................................4
3.1 电路的设计..........................................................................................................................4
3.1.1 系统总体框图...........................................................................................................4
3.1.2 风力摆控制系统总电路原理图见附件 1................................................................4
3.1.3 电源...........................................................................................................................5
3.2 程序的设计..........................................................................................................................5
3.2.1 程序功能描述与设计思路.......................................................................................5
3.2.2 程序流程图...............................................................................................................6
四、测试方案与测试结果........................................................6
4.1 测试方案..............................................................................................................................6
4.2 测试条件与仪器..................................................................................................................7
4.3 测试结果及分析..................................................................................................................7
（1）测试结果..................................................................................................................7
（2）测试分析与结论......................................................................................................8
五、结论与心得................................................................8
六、参考文献..................................................................8
1
风力摆控制系统
一、系统方案
1.1 系统基本方案
1.1.1 控制方案设计
为了实现题目要求我们采用 STM32F103V 单片机做为主控芯片，用加速度计陀螺仪
模块 MPU6050 来计算角度和风机状态，用直流风机带动摆杆运动。当 MPU6050 检测到摆
杆的角度时，可根据三角函数公式计算出摆杆现在距离中心的具体位置（方向、距
离），单片机会控制 PWM 波的输出大小来控制风机的风速与方向，使摆杆达到在特定位
置静止或按照一定的轨迹运动。当摆杆处于自然下垂状态时，给四个风机同时上电且风
向都向外，此时摆杆仍处于受力平衡——静止状态。此时降低 X 轴上一个风机的转速，
摆杆将会带动激光头在 X 轴上画一条直线，当达到一定的倾斜角度时，单片机可根据角
度计算出此时距离中心的距离是否>=25cm，若达到要求后，此风机减速，X 轴反方向上
电机逐渐加速，恢复到初始速度，反方向做相同的运动。在此过程中，单片机做出 A/D
采样，Y 轴方向方向风机随时做出矫正，防止发生轨迹偏移。角度传感器控制系统框图
如图 1 所示。
1.1.2 机械结构方案设计
由于摆杆长度（60cm~70cm）较长，且要求激光头在地面画出 15cm~35cm 的圆，
所以要求横杆的距离要足够长。横杆长度较长加之摆杆重量较大，所以要求底座要有足
够的重量来支撑整个系统。如果结构不稳或者重量不够，摆杆运动过程中将会产生倾倒
或者抖动等现象，影响测试结果。于是，底座采用了“工”型结构，保证了整个系统的
稳定性。摆杆材料方面，我们选用轻便的硬质铁质材料与风机进行刚性连接，既能保证
连接处的稳定，又可达到减轻底座负担的目的。风机选择方面，既要保证风力够大，能
够实现题目基本要求中的自由摆运动、快速制动静止。又要有一定的重量，质量越大，
图 1 控制系统框图
