《2011年全国大学生电子设计竞赛-F题《帆板控制系统设计报告》.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2011年全国大学生电子设计竞赛-F题《帆板控制系统设计报告》.doc（10页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、帆板控制系统设计报告帆板控制系统设计报告摘要：摘要：本设计以 TI 公司的超低功耗 MCU MSP430 处理器为核心，利用 SCA61T 高精度单轴倾角传感器的特性、外转子无刷电机强大驱动能力，形成一 个闭环控制系统使帆板能更精准的转动规定的角度，并通过液晶实时显 示出来。也可通过按键操控控制风力大小，来控制转动的角度。以该系 统转动角度的准确性和完成任务的速度来判断该设计的完成指标。关键词：MSP430 SCA61T 外转子无刷电机 帆板一、系统框图一、系统框图本次实验利用 MSP430 单片机接收由 SCA61T 倾角传感器对帆板转角进行 实时检测的角度数据,控制风扇风力的大小使帆板稳定
2、在固定的角度上, 并通过液晶实现数字显示帆板角度。 （本设计的硬件实物图见附录一） ， 系统总体结构框图如下：按键按键声光提示声光提示风扇风扇帆板帆板MSP430MSP430单片机单片机传感器传感器液晶显示液晶显示二、方案论证二、方案论证1 1、风扇驱动选择：、风扇驱动选择：方案一：采用台式计算机散热风扇，该风扇的额定电压为 5V，实验过程 中发现它的风力太小，不易控制，且不足以吹动帆板转动所要求的角度。 故选择放弃该方案。方案二：采用步进电机作为风扇驱动，因为每转过一个步距角的实际值 与理论值存在着误差，不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在 5%之内， 八拍运行时应在 15%以内。因此步进电
3、机的转速很难精准的确定下来， 因此，若选择该方案的话，对后面角度的计算将产生很大误差，故选择 放弃该方案。方案三：采用外转子无刷电机作为风扇驱动，外转子无刷电机转速的可 控性强，从每分钟几转到每分钟几万转都可以很容易实现，而且变速平 稳、转速稳定、转速的线性度好。外转子无刷电机的转动可以通过软件 编程调整它的转速，而且外转子无刷电机带动风扇转动的风力大，实验过程中，发现它的风量完全足以使帆板转动题目所要求的最大角度，而 且帆板转过一定角度后，稳定度也比较高。故选择采用这种方案，来完 成风扇控制系统。2 2、帆板材料选择：、帆板材料选择：方案一：采用轻质木板作为帆板，实验过程中，轻质木板只能勉强
4、达到 题目要求的 60 度，而且采用轻质木板，不便于装配倾角传感器。故放弃 该 方案。方案二：采用纸板作为帆板，虽然具有取材便利和装配 SCA61T 倾角传感 器方便的优势，但实验过程中，发现纸板质量太轻，转过的角度很难稳 定住，故选择放弃该方案。方案三：采用塑料膜板，实验过程中，发现它完全能达到题目要求的最 大角度 60 度，而且转过的角度稳定度也高，也能很好的解决如何装配 SCA61T 倾角传感器的问题。故选择采用该方案。3 3、电源控制器件选择：、电源控制器件选择：方案一：采用三端稳压器 7805，作为电源驱动外转子无刷电机控制器件， 虽然也能完成实验的各项要求。但从电路的简单化、稳定性
5、方面考虑， 故放弃该方案。方案二：采用 TI 公司的 LM317，LM317 的输出电压范围是 1.2V 至 37V， 负载电流最大为 1.5A。而且它的使用非常简单，仅需两个外界电阻来设 置输出电压。此外，它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压 器好。因此选择 LM317 作为本设计的电源控制器件不仅能完美的完成基 本部分也能完成发挥部分，且电路简单固定，操作方便，故选择该方案。 （电源稳压模块原理图见附录二）4 4、角度检测模块选择：、角度检测模块选择：方案一：采用 MMA7260 三轴加速度传感器，它是一种可以对物体运动过 程中的加速度进行测量的电子设备，典型互动应用中加速度传感器
6、可以 用来对物体的姿势或运动方向进行监测，根据物体运动和方向改变输出 信号的电压值。并且还具有低功耗、高灵敏度、设计稳定、防震能力强、 成本低等等优势。但是本次设计是要精准的测试帆板所转动的角度，若 选用 MMA7260 三轴传感器，并不能很好的完成本次实验，故放弃该方案。方案二：采用高精度单轴 SCA61T 倾角传感器，它具有双输出接口；模拟 电压输出和数字接口 SPI 接口。还内置了温度传感器和 EEPROM 存储器， 用于给倾角传感器做温度补偿和存储补偿数据使用；此外它还具有自我 检测/验证引脚的功能，能通过此引脚（SELF TEST）检测传感器是否正 常工作。此外 SCA61T 倾角传
7、感器，具有分辨率高、噪声低、稳定性好、抗冲击能力强、反应迅速等优点。故选择该方案。5 5、单片机最小系统、单片机最小系统 MCUMCU 选择：选择：方案一：采用 80C51 单片机，它是一款八位单片机，具有 32 个 I/O 引脚， 2 个定时、计数器，5 个中断源等等优点，但对于本次设计来说，要实现 全部功能，还远远不够还需要借助其他芯片的辅助，才能完成实验要求。 从节约成本和电路结构简单等等方面考虑，故放弃该方案。方案二：采用 ATMEGAl6 单片机，它是一款低功耗 8 位单片机，虽然它的 性能比较好，并且也能完成实验要求，但他的价格比较贵，性价比不高。 经综合考虑，放弃该方案。方案三：
8、采用 MSP430 单片机，它是一个 16 位的功能强大的超低功耗微 处理器，特别适合于电池应用的场合，而且其集成度高，不需要加入其 他的芯片进行辅助，就能完成本次设计的各项要求，同时 MSP430 有丰富 的不同类型器件可供选择，给我们的设计带来了很大的灵活性，而且其 性价比高。经综合考虑，选择该方案。三、理论分析与计算：三、理论分析与计算：（1 1）外转子无刷电机工作原理：）外转子无刷电机工作原理：外转子无刷电机由电机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产 品。电机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分 相似。电机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电机转子的极性， 在
9、电机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成， 其功能是：接受电机的启动、停止、制动信号，以控制电机的启动、停 止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率 管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和 调整转速；提供保护和显示等等。外转子无刷电机的原理简图如图 1 所 示：图 1（2 2）外转子无刷电机转速控制与角度测量方法：）外转子无刷电机转速控制与角度测量方法：（3 3）SCA61TSCA61T 倾角传感器工作原理：倾角传感器工作原理：如图 2 是 SCA61T 的引脚分布图，各个引脚的功能如表 1 所示。SCA61T 有两种工作模式：数
10、字模式和模拟模式。在数字模式下：采用 SPI 接口 （SCK，MISO，MOSI）进行读/写；在模拟模式下：通过 OUT 引脚输出不 同的电压值来对应不同的角度，并且引脚 SCK、MISO、MOSI 和 CSB 必须 悬空。对于本次设计只采用数字模式，图 3 是数字 SPI 连接方式，将 SCK、MISO、 MOSI 和 CSB 引脚分别接到微控制器上，另外，由 于对 SCA61T 进行一次读操作后得到的是 11 位数据，而标准的 SPI 接口 一次读操作得到的是 8 位数据，所以必须采用软件模拟 SPI 接口，而不 能直接将引脚接到微控制器的硬件 SPI 接口。在数字 SPI 连接方式下，
11、采用下式进行角度计算：； /arcsin0 gLSBSnesLSBDLSBDoutout式中：Dout是向 SCA61T 发送完“读 x 通道加速度值”命令 RDAX 后，从SCA61T 读回的 11 位数值，LSB 为从最低位开始的 11 位二进制数；Dout0为数字漂移值 1024；snes 为设备的灵敏读；所以要求得角度 就要知道 Dout的值。图 2表 1图 3四、系统硬件电路与程序设计四、系统硬件电路与程序设计（1 1）度数检测部分）度数检测部分（2 2）度数与电机转速显示部分）度数与电机转速显示部分通过按键来改变单片机 I/O 口所输出的 PWM 信号，调控电机的转速来改 变帆板被
12、吹动的角度，液晶把帆板所转动的角度和外转子无刷电机的转 速实时的显示出来。（3 3）风扇恒流控制部分）风扇恒流控制部分通过电桥来输出稳定可调的电压，使风扇能更均匀的转动，当输出电压 在稳定下来之后，保持转速恒定不变。从而使误差达到最小。 （电桥电路 原理图见附录三）（4 4）总控制部分）总控制部分五、软件设计五、软件设计由于本系统中单片机只起到控制输出和显示作用，所以软件设计比较简 单，启动后进入角度测量，通过按键来控制单片机给外转子无刷电机驱 动力的大小，并使用 SCA61T 倾角传感器来测量角度，然后所测得的角度 反过来给单片机，最后通过单片机控制液晶显示出来，整个软件设计形 成一个循环的
13、控制系统。 （软件流程图见附录四）六、测试方法与过程六、测试方法与过程七、总结七、总结综合上述的测试结果，本设计不仅圆满地完成了题目的基本要求，还完 美的完成了发挥部分的要求。使用的 MSP430 和 SCA61T 高精度单轴倾角 传感器大大的提高了本设计的灵敏度和精确度。经过紧张激烈的四天三 夜我们终于完成了本次设计，通过这次比赛，我们学到了很多东西，对 以后的人生有着相当重要的意义。最后，十分感谢学校的培养和全国电 子设计竞赛组委会给予我们这次锻炼的机会。这必将是我们人生中最宝 贵的“财富”。八、附录八、附录附录一：硬件实物图附录二：电源稳压模块原理图附录三：电桥电路原理图附录四：软件流程图开始设置单片机参数IO口分配单片机时钟源的选 择液晶初始化定时器B初始化无刷电机PWM初 始化角度SPI数字处理有按键按下？模式1模式2键盘控制电 机转速键盘设置角 度液晶显示各类信息YYY