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摘要： 本系统采用STC12C5A60S2为主控芯片，通过MPU6050传感器提供反馈信息、采用PID控制算法调整轴流风机的状态、在液晶和按键的人机交互作用下显示并切换工作模式，形成一闭环测控系统。该测控系统通过控制驱动各风机，使风力摆按照一定规律运动，同时保证摆杆下方悬挂的激光笔能在地面画出要求的轨迹。
【中图分类号】TP302.1【文献标识码】A【文章编号】2236-1879（2018）07-0031-01
一、方案论证
1.1 控制器模块方案。
控制器是整个控制系统的核心，承载着执行控制算法，实现控制功能的作用。因此，要保证系统整体的控制质量，控制器的选择非常重要！在控制器的选择方案中，主要进行了如下對比：
方案一：选择常见且应用广泛的AT89C52作为控制芯片。对于这种单片机，我们有良好的知识基础，上手快，成本低。然而对于本控制系统，程序量较大、所需I/O口较多，89单片机将很难满足控制要求，难以胜任控制任务。因此，89单片机并不适合作为本系统的控制器。
方案二：较之89系列单片机，STC12单片机资源丰富，集成EEPROM、AD、 PCA可编程计数阵列等；其功能更强大，执行速度更快。对于本系统来说，足以完成控制任务。故而作为本控制系统的首选。
2.2位置检测模块。
检测模块不仅是获得被控系统所需信息的唯一渠道，而且从根本上决定了被控系统的控制精度，相当于控制系统中的“眼睛”；因此检测模块的设计对整个控制系统的设计至关重要！基于此，在选择检测元件时，主要做了如下对比：
方案一：选择整合性6轴运动处理组件MPU6050，利用其自身集成的3轴MEMS陀螺仪，3轴 MEMS加速度计精确地对被控对象的运动状态进行数据采集；在数据处理上采用卡尔曼滤波算法，测量精度极高。另外，该传感器封装小节省空间，对本系统的控制十分有利。
方案二：选择角度、加速度模块 MMA7361传感器。这一模块虽有压降小，适合高噪声电源环境工作等特点，但其测量精度及测量范围等各方面性能不及MPU6050。综合考虑，选取MMA7361作为检测变送传感器并不明智。
经过上述对比，最终本系统选用了MPU6050作为位置检测的传感器。
2.3动力装置方案设计。
动力装置作为本控制系统中的执行机构，是控制系统中的重要组成部分。它将控制器送来的控制信号转换成执行动作，从而操纵作用于被控对象的能量，将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。轴流风机作为此系统的唯一动力装置，其提供的动力是否充足、可调性是否优良将直接决定能否完成控制任务和控制质量的高低。为此考虑了成本、体积等因素，主要拟定了以下两个方案。
方案一：选择某牌直流12V-2.3A轴流小型风机。该风机体积小、质量轻，对摆杆的运动十分有利。另外，该种风机功率大、动力充足，能为控制系统提供充足的能量。
方案二：选择与上述风机同品牌的12V-1.8A轴流风机。与上述风机相比，该风机质量较大，功率却不及小型风机。其他方面，此二种风机并无差异。
上述方案的论证，似乎证明方案一将是本系统的不二之选，然而事实并非如此。在经过充分的实验发现（详见4.1中风机性能测试），方案一中风机启动过慢、控制不及时，而且其提供风力并不比方案二中轴流风机大。因此，本系统最终确定以方案二作为动力装置。
2.4 外围模块方案设计。
本系统中的外围模块，主要是指与对风机的控制不起直接作用的功能调用模块、显示模块、声光提示模块、电源模块。
主要是指键盘（按键）模块和显示模块。由于该系统所涉及的控制任务较多，使用键盘按键进行不同那个任务间的相互切换，降低了对程序的逻辑要求，易于编程、方便实施。而显示模块将检测到的信息直观的显示出来，利于对整个控制过程进行实时监控。这种良好的人机交互环境，也非常符合当前控制过程智能友好的趋势。
3.2 软件实现。
在有了一定的理论基础，并构建了相应的硬件电路之后，控制任务将完全依赖于程序实现。而此系统的关键在于，根据反馈角度对轴流风机进行较精确的控制。这一精确控制体现在PWM的控制中，因此控制算法的选择尤为重要。
3.2.1 所用算法。
本系统采用增量式PID控制公式：（如下所示）
△u（k）=Kp[e（k）-e（k-1）]+Kie（k）+Kd[e（k）-2e（k-1）+e（k-2）]， （公式4）
其中，△u（k）系统应增加的输出
Kp为比例系数
Ki积分时间
Kd微分时间
e（k）第K次采样的误差
e（k-1） 第k-1次采样的误差
e（k-2） 第k-2次采样的误差
于本控制系统而言，误差即给定值与反馈的到的姿态角之间的差值。经过计算得到u（k）作为控制器的输出，调节风机转速，这一改变直接作用于被控对象，最终达到控制效果。这一过程中控制质量的优劣，关键在于PID控制算式中比例系数Kp、积分时间Ki和微分时间Kd的整定。本系统整定主要采用了经验试凑法，这里不再赘述。
参考文献
[1]《单片机实用系统设计与仿真经典实例》，电子工业出版社，周润景 刘晓霞著
[2]《全国大学生电子设计竞赛培训系列教程<数字系统与自动控制系统设计>》，电子工业出版社，高吉祥主编
【中图分类号】TP302.1【文献标识码】A【文章编号】2236-1879（2018）07-0031-01
一、方案论证
1.1 控制器模块方案。
控制器是整个控制系统的核心，承载着执行控制算法，实现控制功能的作用。因此，要保证系统整体的控制质量，控制器的选择非常重要！在控制器的选择方案中，主要进行了如下對比：
方案一：选择常见且应用广泛的AT89C52作为控制芯片。对于这种单片机，我们有良好的知识基础，上手快，成本低。然而对于本控制系统，程序量较大、所需I/O口较多，89单片机将很难满足控制要求，难以胜任控制任务。因此，89单片机并不适合作为本系统的控制器。
方案二：较之89系列单片机，STC12单片机资源丰富，集成EEPROM、AD、 PCA可编程计数阵列等；其功能更强大，执行速度更快。对于本系统来说，足以完成控制任务。故而作为本控制系统的首选。
2.2位置检测模块。
检测模块不仅是获得被控系统所需信息的唯一渠道，而且从根本上决定了被控系统的控制精度，相当于控制系统中的“眼睛”；因此检测模块的设计对整个控制系统的设计至关重要！基于此，在选择检测元件时，主要做了如下对比：
方案一：选择整合性6轴运动处理组件MPU6050，利用其自身集成的3轴MEMS陀螺仪，3轴 MEMS加速度计精确地对被控对象的运动状态进行数据采集；在数据处理上采用卡尔曼滤波算法，测量精度极高。另外，该传感器封装小节省空间，对本系统的控制十分有利。
方案二：选择角度、加速度模块 MMA7361传感器。这一模块虽有压降小，适合高噪声电源环境工作等特点，但其测量精度及测量范围等各方面性能不及MPU6050。综合考虑，选取MMA7361作为检测变送传感器并不明智。
经过上述对比，最终本系统选用了MPU6050作为位置检测的传感器。
2.3动力装置方案设计。
动力装置作为本控制系统中的执行机构，是控制系统中的重要组成部分。它将控制器送来的控制信号转换成执行动作，从而操纵作用于被控对象的能量，将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。轴流风机作为此系统的唯一动力装置，其提供的动力是否充足、可调性是否优良将直接决定能否完成控制任务和控制质量的高低。为此考虑了成本、体积等因素，主要拟定了以下两个方案。
方案一：选择某牌直流12V-2.3A轴流小型风机。该风机体积小、质量轻，对摆杆的运动十分有利。另外，该种风机功率大、动力充足，能为控制系统提供充足的能量。
方案二：选择与上述风机同品牌的12V-1.8A轴流风机。与上述风机相比，该风机质量较大，功率却不及小型风机。其他方面，此二种风机并无差异。
上述方案的论证，似乎证明方案一将是本系统的不二之选，然而事实并非如此。在经过充分的实验发现（详见4.1中风机性能测试），方案一中风机启动过慢、控制不及时，而且其提供风力并不比方案二中轴流风机大。因此，本系统最终确定以方案二作为动力装置。
2.4 外围模块方案设计。
本系统中的外围模块，主要是指与对风机的控制不起直接作用的功能调用模块、显示模块、声光提示模块、电源模块。
主要是指键盘（按键）模块和显示模块。由于该系统所涉及的控制任务较多，使用键盘按键进行不同那个任务间的相互切换，降低了对程序的逻辑要求，易于编程、方便实施。而显示模块将检测到的信息直观的显示出来，利于对整个控制过程进行实时监控。这种良好的人机交互环境，也非常符合当前控制过程智能友好的趋势。
3.2 软件实现。
在有了一定的理论基础，并构建了相应的硬件电路之后，控制任务将完全依赖于程序实现。而此系统的关键在于，根据反馈角度对轴流风机进行较精确的控制。这一精确控制体现在PWM的控制中，因此控制算法的选择尤为重要。
3.2.1 所用算法。
本系统采用增量式PID控制公式：（如下所示）
△u（k）=Kp[e（k）-e（k-1）]+Kie（k）+Kd[e（k）-2e（k-1）+e（k-2）]， （公式4）
其中，△u（k）系统应增加的输出
Kp为比例系数
Ki积分时间
Kd微分时间
e（k）第K次采样的误差
e（k-1） 第k-1次采样的误差
e（k-2） 第k-2次采样的误差
于本控制系统而言，误差即给定值与反馈的到的姿态角之间的差值。经过计算得到u（k）作为控制器的输出，调节风机转速，这一改变直接作用于被控对象，最终达到控制效果。这一过程中控制质量的优劣，关键在于PID控制算式中比例系数Kp、积分时间Ki和微分时间Kd的整定。本系统整定主要采用了经验试凑法，这里不再赘述。
参考文献
[1]《单片机实用系统设计与仿真经典实例》，电子工业出版社，周润景 刘晓霞著
[2]《全国大学生电子设计竞赛培训系列教程<数字系统与自动控制系统设计>》，电子工业出版社，高吉祥主编