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2015年电子设计大赛风板控制系统.pdf
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2015年电子设计大赛风板控制系统.pdf
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2015 年 全 国 大 学 生
电 子 设 计 竞 赛
风板控制装置( I 题)
【高职高专组】
2015 年 8 月 15 日
摘 要
本系统以 MSP430单片机为控制核心, 通过 PID 算法,实现了对风板的控制。
系统主要由电源模块、角度测量模块、电机驱动模块、显示模块、键盘模块和声
光模块等构成。 通过 PID 反馈输出 PWM来改变直流风机风力大小, 使风板转角根
据需求变化。加速度传感器 MPU6050检测风板位置的变化,并将风板角度在 LCD
液晶器上显示, 同时单片机对采集的数据进行分析,实时调整 PWM输出,通过驱
动芯片 L298N控制风机风速, 使风板达到稳定的状态, 并带有相应的声光提醒功
能, 使系统人性化,经过反复测试,达到了设计要求。
关键词
:MSP430;PID;PWM;直流风机 ;MPU6050
目 录
1 系统方案
本系统主要由主控模块、角度检测模块、电机驱动模块、显示模块、电源
模块组成,下面分别论证这几个模块的选择。
1.1 主控模块的论证与选择
方案一:采用传统 8 位的 51 单片机作为该系统的控制核心。 经典 51 单片机
具有价格低廉,使用简单等特点,但其存在外设 I/O 端口较少,运算速度低,功
能单一,不稳定等缺点。
方案二:采用 TI 公司所生产的 MSP430F149 单片机为主控制芯片, 运算速
度快,超低功耗,有非常丰富的片内资源,性价比高。
综合比较以上两个方案,选择 TI 公司生产的 430 芯片,在低功耗方面有显
着的优势,处理数据快,且其片内资源丰富,满足系统设计需求。
1.2 角度检测模块方案论证
方案一:采用模拟三轴加速度计 MMA7260, MMA7260QT是检测物件运动和方
向的传感器, 它根据物件运动和方向改变输出信号的电压值。 通过 A/D 转换器读
取输出信号,检测其运动和方向。
方案二:采用 mpu6050传感器可准确追踪快速与慢速动作, 并且可调整感测
范围,可快速、直接将检测信号给控制器 。
控制帆板角度是个快速处理的过程,方案一还需采集电路对 AD进行采集转
化为数字量,综合考虑选择方案二。
1.3 电机驱动模块
本设计的主要目的在于控制风机的转速, 因此电机驱动模块是必不可少, 其
方案有以下两种。
方案一: 采用大功率晶体管组合电路构成驱动电路,这种方法结构简单,成
本低、易实现, 但由于在驱动电路中采用了大量的晶体管相互连接, 使得电路复
杂、抗干扰能力差、 可靠性下降, 我们知道在实际的生产实践过程中可靠性是一
个非常重要的方面。因此此中方案不宜采用。
方案二:采用专用的电机驱动芯片,例如
L298N
、
L297N
等电机驱动芯
片,由于它内部已经考虑到了电路的抗干扰能力,安全、可靠行,所以我们在应
用时只需考虑到芯片的硬件连接、 驱动能力等问题就可以了, 所以此种方案的电
路设计简单、抗干扰能力强、可靠性好。设计者不需要对硬件电路设计考虑很多,
可将重点放在算法实现和软件设计中,大大的提高了工作效率。
基于上述理论分析和实际情况,电机驱动模块选用方案二。
1.4 显示模块方案
方案一:选用常见的数码管显示,成本低,只能显示简单的字符和数字。显
示位数较多时,轮番扫描占用 CPU时间。
方案二:选用 12864 显示屏做显示。 12864 的显示为 128x64,显示面积大,
数字和汉字显示容易实现,程序要求不是很高,更加方便。
方案三:用彩屏做显示。彩屏显示效果好,但成本高,功耗大,编程设计相
对繁琐。
由于系统显示信息量较多,对比所述方案,选择 12864作为系统显示器。
1.5 电源模块方案
电源是任何系统能否运行的能量来源, 本系统中电源模块为主控制器、 电机
驱动、角度检测模块等提供电源。
方案一:通过电阻分压的形式将整流后的电压分别降为控制芯片和电机运行
所需的电压,此种方案原理和硬件电路连接都比较简单,但对能量的损耗大,在
实际应用系统同一般不宜采用。
方案二:通过固定芯片对整流后的电压进行降压、 稳压处理(如 7812 、7805
等),此种方案可靠性、 安全性高,对能源的利用率高, 并且电路简单容易实现。
根据系统的具体要求,采用方案二作为系统的供电模块。
2. 系统理论分析与计算
2.1 角度确定
风板运动过程中需要实时检测角度的变化, 通过计算加速度传感器传回的数
据,可以测得风板的角度,加速度与角度存在如下关系:
2.2 风速控制
风速的快慢直接决定了系统风板角度的大小。 通过 pid 调节, 单片机输出 PWM
波形,可对风板进行快速、准确的调整。
通过不断调整 P(比例 ) 、I( 积分 ) 、D(微分)值,系统的稳定性得到明显的
提高,响应时间也加快了。由各个参数的控制规律可知,比例 P 使反应变快,微
分 D使反应提前,积分 I 使反应滞后。在一定范围内, P,D值越大,调节的效
果越好。
3. 电路与程序设计
3.1 硬件电路设计
系统总体框图如图 3.1 所示。
图 3.1 系统总体框图
3.1.1 单片机最小系统设计
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