風(fēng)板控制裝置文檔1

1、 2015年全國電子設(shè)計(jì)競賽TI杯 作品設(shè)計(jì)報(bào)告選題： I題 風(fēng)板控制裝置 編號： 組別： 學(xué)生姓名： 2015年8月12日摘要：該系統(tǒng)為一個風(fēng)板控制系統(tǒng)，通過對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，調(diào)節(jié)風(fēng)力大小從而改變風(fēng)板的角度。為了滿足風(fēng)板控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)以TI公司的MSP430F5529單片機(jī)作為系統(tǒng)的可控芯片，選用低成本SCA60C-N1000060傾角傳感器模塊來測量風(fēng)板轉(zhuǎn)動的角度，靈敏度高，滿足對角度的準(zhǔn)確測量。對于關(guān)鍵的風(fēng)機(jī)驅(qū)動電路，經(jīng)過充分的比較與論證，最終選用驅(qū)動模塊L298N，通過單片機(jī)輸出PWM波，更好的實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的調(diào)速，并且加入PID控制，實(shí)現(xiàn)了控制角度的優(yōu)化。系統(tǒng)的顯示部采用128

2、64液晶顯示，串行接口，編程容易，并且實(shí)現(xiàn)的信息量大。經(jīng)過測試，作品達(dá)到了題目的要求。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；PWM控制；風(fēng)板；角度控制 PID調(diào)速Abstract: The system for a wind board control system, through to the fan speed control, adjust the wind size and changing the Angle of the wind plate.In order to meet the wind board control system design requirements，This system b

3、y TI company's MSP430F5529 single-chip microcomputer as the control chip of the system，Choose low-cost SCA60C - N1000060 Angle sensor module to measure the wind plate rotation Angle, high sensitivity, meet the accurate measurement of the Angle。For key fan drive circuit, after adequate comparison

4、 and demonstration, finally chooses L298N drive module, through single chip microcomputer output PWM wave, better realize the fan speed, and join the PID control, realized the optimization of the control point of view。1 方案論證與比較 本系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)驅(qū)動模塊、角度傳感器檢測模塊、按鍵顯示模塊、風(fēng)機(jī)模塊、轉(zhuǎn)軸模塊和電源模塊組成。采用MSP430F5529單片機(jī)做為系統(tǒng)控制

5、的芯片，下面分別論證這幾個模塊的選擇。1.1風(fēng)機(jī)驅(qū)動模塊的論證與選擇 方案一：采用大功率三極管，二極管，電阻電容等元件。用上述元件搭建兩個H橋，通過對各路信號放大來驅(qū)動電機(jī)，原理簡單。但由于放大電路很難做到完全一致，當(dāng)風(fēng)機(jī)的功率較大時運(yùn)行起來會不穩(wěn)定，很難精確控制。方案二：采用L298N驅(qū)動電路，L298N是常用的電機(jī)驅(qū)動芯片，該芯片有兩個TTL/COMS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性能，可用單片機(jī)的I/O口輸入信號，其輸出的PWM脈沖控制直流電機(jī)，能夠?qū)﹄姍C(jī)上升和下降進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)，保證調(diào)解過程中本身對風(fēng)機(jī)的影響最低，且電路簡單、易用、具有很高的性價(jià)比。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們選擇方案二。1.2

6、 角度傳感器檢測模塊的論證與選擇 方案一：線性電位器WDD35D-4是360度連續(xù)機(jī)械轉(zhuǎn)交的線性電位器，精度可達(dá)到1%，將電位器旋鈕和電位器分別與風(fēng)板和風(fēng)板擺動軸相結(jié)合，在風(fēng)板擺動的同時帶動旋鈕高邊阻值，用AD測出電壓變化，從而換算出傾斜角度。方案二：采用低成本SCA60C-N1000060單軸傾角傳感器模塊，測量范圍為-90+90°。它具有工作溫度范圍寬、成本、性價(jià)比高、 抗沖擊能力強(qiáng)  低噪聲體積小等優(yōu)點(diǎn)。它通過MSP430F5529單片機(jī)其自帶的A/D轉(zhuǎn)換，將采樣到的電壓信號進(jìn)行數(shù)字濾波算法分析，進(jìn)而轉(zhuǎn)換輸出風(fēng)板偏轉(zhuǎn)的角度。方案選定：方案一線性度好

7、但是機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。方案二探測角度滿足本題目的要求，且SPI數(shù)字輸出無需外加A/D轉(zhuǎn)換電路，軟件調(diào)試簡單。綜上方案論證，采用方案二。1.3按鍵顯示模塊的論證與選擇方案一：采用LED顯示和獨(dú)立按鍵電路。LED亮度高，成本低，易于編程，但是LED和獨(dú)立按鍵使用時占用的I/O口多，浪費(fèi)資源，且LED的信息量不足。1.4電機(jī)制作模塊的論證與選擇方案二：采用LCD12864液晶顯示和4*4矩陣按鍵電路。液晶的功耗低，無輻射顯示穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，編程控制簡單，使用方便，顯示信息功能強(qiáng)。4*4矩陣按鍵相比獨(dú)立按鍵，可以節(jié)約數(shù)據(jù)線，雖然編程麻煩，但有現(xiàn)有的程序塊。不需要訪問中斷直接通過掃描程序來判斷有無按

8、鍵按下.方案論證：方案一編程簡單但是占用數(shù)據(jù)口多浪費(fèi)資源。方案二更容易實(shí)現(xiàn)所需要達(dá)到的角度任意值，所以選擇方案二。方案一：選用鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)扇，輸出功率大，出風(fēng)匯聚成直線型，葉片多，風(fēng)力大，輸出穩(wěn)定，可以吹起較重的風(fēng)板。方案二：選用直流軸風(fēng)機(jī)。輸出功率較小，出風(fēng)分散，帆板轉(zhuǎn)動角度小，波動較大?？梢暂o助聚風(fēng)裝置來消除出風(fēng)分散現(xiàn)象。聚風(fēng)裝置采用較長的圓柱形塑料外殼，套在風(fēng)機(jī)外，分別在兩個在風(fēng)機(jī)的下面加鐵絲底座，使風(fēng)機(jī)向著風(fēng)板成45度角，形成一個風(fēng)力往上升的系統(tǒng)，這樣風(fēng)板承受平穩(wěn)的升力，轉(zhuǎn)動角度范圍加大，能達(dá)到90°以上。    綜合經(jīng)過測試并結(jié)合題意分析

9、，方案一中的風(fēng)機(jī)雖優(yōu)點(diǎn)明顯，但不屬于直流風(fēng)機(jī)，不符合題軸，故否定。因而采用方案二。 1.5轉(zhuǎn)軸模塊的論證與選擇 方案一：采用小車輪軸做為轉(zhuǎn)軸，粗細(xì)合適，但長度有限，不好固定。 方案二：采用專用鐵制空心圓軸做為轉(zhuǎn)軸，兩端增加軸承，轉(zhuǎn)動更靈活，其中一端與角度傳感器相連，風(fēng)板轉(zhuǎn)動時可以輕松帶動傳感器轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動，而且在校準(zhǔn)零度的時候，風(fēng)板很穩(wěn)定。 綜合比較上述方案，我們選擇方案二。1.6電源模塊的論證與選擇由于電路各模塊所需要25V、5V兩種電源進(jìn)行供電，提供以下兩種方案。方案一：采用電池組供電方案二:采用直流電壓源電池組難以滿足要求，這里我們選擇直流電壓源。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

10、 2.1  總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)首先通過按鍵設(shè)定要做的任務(wù)，然后設(shè)定所要偏轉(zhuǎn)的角度值送給單片機(jī)（這些任務(wù)和值都將會在液晶上顯示），單片機(jī)將接收到的命令用來調(diào)節(jié)兩路PWM從而控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，每隔一定時間接收角度傳感器反饋的角度值，進(jìn)而調(diào)節(jié)兩路PWM，使風(fēng)機(jī)穩(wěn)定在按鍵所設(shè)置的值，當(dāng)風(fēng)板偏轉(zhuǎn)到所設(shè)置的角度時，蜂鳴器響應(yīng)，指示燈點(diǎn)亮。風(fēng)板控制系統(tǒng)圖如圖 1 所示。 電源 25V 5V 左風(fēng)機(jī) L298NMSP430F5529單片機(jī) 角度傳感器L298N 右風(fēng)機(jī) 按鍵模塊液晶顯示 圖1 ：風(fēng)板控制系統(tǒng)示意圖2.2單元設(shè)計(jì)電路2.2.1主控制電路  主控制電路主要實(shí)現(xiàn)對外部檢

11、測電路的信號采集，PWM脈沖信號的產(chǎn)生，以及信號的轉(zhuǎn)換顯示等功能。通過按鍵可以控制PWM的占空比，調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速,從而使得帆板角度可控。電路原理圖見附錄1。2.2.2風(fēng)機(jī)驅(qū)動電路  本電路我們采用L298N來驅(qū)動，再在前級加一個三極管9013來作為保護(hù)。然后用LM3S615的PB0口產(chǎn)生PWM信號，通過按鍵調(diào)節(jié)其占空比來調(diào)節(jié)軸流風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的控制。電路原理圖如圖2所示：2.2.4鍵盤顯示電路 在本電路的設(shè)計(jì)中用到了4*4矩陣按鍵和12864顯示電路。按鍵設(shè)定命令后通過單片機(jī)給液晶顯示，按鍵顯示電路圖如圖5所示：圖5: 鍵盤顯示電路3、軟件設(shè)計(jì)3.1軟件程序流程圖如圖7所示

12、：主程序 按鍵初始化 定時器初始化 ADC初始化查狀態(tài) 執(zhí)行D任務(wù)執(zhí)行C任務(wù)執(zhí)行B任務(wù)執(zhí)行A任務(wù) 圖7：軟件程序流程圖3.2程序設(shè)計(jì)思路 將程序初始化后，自動進(jìn)入模式查狀態(tài)命令。分別為A、B 、C、 D，實(shí)現(xiàn)四種不同的功能。 按下按鍵J1進(jìn)入任務(wù)A中，設(shè)定45°到135°之間的任意角，并實(shí)時顯示； 按下按鍵J2進(jìn)入任務(wù)B中,在45°到135°之間預(yù)置兩個角，在10秒內(nèi)控制風(fēng)板到第一個預(yù)置腳，然后到第二個預(yù)置腳，在兩個預(yù)置腳之間擺動三次，并且擺動周期不大于5秒，完成后風(fēng)板平穩(wěn)停留在起點(diǎn)位置上。 按

13、下按鍵F1進(jìn)入任務(wù)C中,掛上10克砝碼后，然后設(shè)定45°到135°之間的任意角，讓風(fēng)板在15秒內(nèi)到達(dá)設(shè)定的角度上并且停留5秒，到達(dá)預(yù)置腳的誤差不大于5°，停留5秒時的誤差不大于1秒，最后控制風(fēng)板平穩(wěn)得停留在終點(diǎn)位置。 按下按鍵F2進(jìn)入任務(wù)D中,，掛上10克砝碼后，在45°到135°之間預(yù)置兩個角，在15秒內(nèi)控制風(fēng)板到第一個預(yù)置腳，然后到第二個預(yù)置腳，在兩個預(yù)置腳之間擺動四次，并且擺動周期不大于5秒，完成后風(fēng)板平穩(wěn)停留在起點(diǎn)位置上。  4、測試方法與數(shù)據(jù) 4.1測試方案3.2 控制算法與實(shí)現(xiàn) 角度傳感器的內(nèi)部是一個滑動變阻器，把帆板的軸同擋板的軸用膠帶固定在一起，當(dāng)擋板受到風(fēng)扇的風(fēng)吹動時，滑動變阻器的阻值發(fā)生變化，通過AVR mege16 的A/D 采集電壓，將這個電壓值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的角度值。 風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速是通過控制PWM的占空比來控制的，當(dāng)PWM的占空比