單片機(jī)風(fēng)板控制系統(tǒng)校園高等電子設(shè)計大賽報告

本系統(tǒng)主要由主控模塊、角度檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、顯示模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。

方案一：采用傳統(tǒng)8位的51單片機(jī)作為該系統(tǒng)的控制核心。經(jīng)典51單片機(jī)具有價格低廉，使用簡單等特點，但其存在外設(shè)I/O端口較少，運算速度低，功能單一，不穩(wěn)定等缺點。

方案二：采用TI公司所生產(chǎn)的MSP430F5529單片機(jī)為主控制芯片，運算速度快，超低功耗，有非常豐富的片內(nèi)資源，性價比高。

綜合比較以上兩個方案，選擇TI公司生產(chǎn)的430芯片，在低功耗方面有顯著的優(yōu)勢，處理數(shù)據(jù)快，且其片內(nèi)資源豐富，滿足系統(tǒng)設(shè)計需求。

方案一：采用模擬三軸加速度計MMA7260, MMA7260QT是檢測物件運動和方向的傳感器，它根據(jù)物件運動和方向改變輸出信號的電壓值。通過A/D轉(zhuǎn)換器讀取輸出信號，檢測其運動和方向。

方案二：采用mpu6050傳感器可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動作，并且可調(diào)整感測范圍，可快速、直接將檢測信號給控制器。

控制帆板角度是個快速處理的過程，方案一還需采集電路對AD進(jìn)行采集轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，綜合考慮選擇方案二。

本設(shè)計的主要目的在于控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此電機(jī)驅(qū)動模塊是必不可少，其方案有以下兩種。

方案一：采用大功率晶體管組合電路構(gòu)成驅(qū)動電路，這種方法結(jié)構(gòu)簡單，成本低、易實現(xiàn)，但由于在驅(qū)動電路中采用了大量的晶體管相互連接，使得電路復(fù)雜、抗干擾能力差、可靠性下降，我們知道在實際的生產(chǎn)實踐過程中可靠性是一個非常重要的方面。因此此中方案不宜采用。

方案二：采用專用的電機(jī)驅(qū)動芯片，例如L298N、L297N等電機(jī)驅(qū)動芯片，由于它內(nèi)部已經(jīng)考慮到了電路的抗干擾能力，安全、可靠行，所以我們在應(yīng)用時只需考慮到芯片的硬件連接、驅(qū)動能力等問題就可以了，所以此種方案的電路設(shè)計簡單、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好。設(shè)計者不需要對硬件電路設(shè)計考慮很多，可將重點放在算法實現(xiàn)和軟件設(shè)計中，大大的提高了工作效率。

基于上述理論分析和實際情況，電機(jī)驅(qū)動模塊選用方案二。

方案一：選用常見的數(shù)碼管顯示，成本低，只能顯示簡單的字符和數(shù)字。顯示位數(shù)較多時，輪番掃描占用CPU時間。

方案二：選用12864顯示屏做顯示。12864的顯示為128x64，顯示面積大，數(shù)字和漢字顯示容易實現(xiàn)，程序要求不是很高，更加方便。

方案三：用彩屏做顯示。彩屏顯示效果好，但成本高，功耗大，編程設(shè)計相對繁瑣。

由于系統(tǒng)顯示信息量較多，對比所述方案，選擇12864作為系統(tǒng)顯示器。

電源是任何系統(tǒng)能否運行的能量來源，本系統(tǒng)中電源模塊為主控制器、電機(jī)驅(qū)動、角度檢測模塊等提供電源。

方案一：通過電阻分壓的形式將整流后的電壓分別降為控制芯片和電機(jī)運行所需的電壓，此種方案原理和硬件電路連接都比較簡單，但對能量的損耗大，在實際應(yīng)用系統(tǒng)同一般不宜采用。

方案二：通過固定芯片對整流后的電壓進(jìn)行降壓、穩(wěn)壓處理，此種方案可靠性、安全性高，對能源的利用率高，并且電路簡單容易實現(xiàn)。

根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，采用方案二可調(diào)升壓降壓模塊作為系統(tǒng)的供電模塊。

風(fēng)板運動過程中需要實時檢測角度的變化，通過計算加速度傳感器傳回的數(shù)據(jù)，可以測得風(fēng)板的角度，加速度與角度存在如下關(guān)系：

加速度傳感器Z軸與自然坐標(biāo)軸Z軸夾角 ；

加速度傳感器X軸與自然坐標(biāo)軸X軸夾角 ；

加速度傳感器Y軸與自然坐標(biāo)軸Y軸夾角 。

風(fēng)速的快慢直接決定了系統(tǒng)風(fēng)板角度的大小。通過PID調(diào)節(jié),單片機(jī)輸出PWM波形，可對風(fēng)板進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的調(diào)整。

通過不斷調(diào)整P(比例)、I(積分)、D（微分）值，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到明顯的提高，響應(yīng)時間也加快了。由各個參數(shù)的控制規(guī)律可知，比例P使反應(yīng)變快，微分D使反應(yīng)提前，積分I使反應(yīng)滯后。在一定范圍內(nèi)：P、D值越大，調(diào)節(jié)的效果越好。

本系統(tǒng)采用增量式PID算法，PID控制主要是通過求出增量，將原先的積分環(huán)節(jié)的累積作用進(jìn)行了替換，避免積分環(huán)節(jié)占用大量計算性能和存儲空間。由于增量式需要對控制量進(jìn)行記憶，所以對于不帶記憶裝置的系統(tǒng)，只能使用位置式PID控制方式進(jìn)行控制。

增量式PID控制的主要優(yōu)點為：①算式中不需要累加。控制增量Δu(k)的確定僅與最近3次的采樣值有關(guān)，容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果；②計算機(jī)每次只輸出控制增量，即對應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化量，故機(jī)器發(fā)生故障時影響范圍小、不會嚴(yán)重影響生產(chǎn)過程；③手動—自動切換時沖擊小。當(dāng)控制從手動向自動切換時，可以作到無擾動切換。

系統(tǒng)總體框圖如圖3.1所示。

圖 3.1   系統(tǒng)總體框圖

MSP430F5529單片機(jī)，其最小系統(tǒng)包括電源電路、復(fù)位電路、時鐘電路，具體電路設(shè)計如圖3.2所示。

圖 3.2   最小系統(tǒng)原理圖

本系統(tǒng)中要實時監(jiān)控風(fēng)板的角度，系統(tǒng)采用mpu6050傳感器,通過計算可迅速得出測量的角度，從而反饋給單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)操作。

本系統(tǒng)采用LCD12864作為顯示，模塊電路圖如圖 3.3所示。

圖 3.3  LCD12864電路圖

電機(jī)驅(qū)動芯片L298N內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動器。L298可驅(qū)動2個電機(jī)，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個電動機(jī)。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA，ENB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號接到ENA，ENB端子，對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。電機(jī)驅(qū)動電路如圖3.4所示。

圖 3.4   電機(jī)驅(qū)動

在電子電路及設(shè)備中，一般都需要穩(wěn)定的直流電源供電。小功率的穩(wěn)壓電源的組成如圖3.5所示，它由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成。

圖 3.5 直流穩(wěn)壓電路工作原理

根據(jù)設(shè)計要求，軟件部分主要實現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制以及聲光報警與液晶顯示。

（1）風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制部分：在鍵盤按下設(shè)定風(fēng)板的角度后，風(fēng)板15s內(nèi)處于指定位置并穩(wěn)定5秒以上，上下波動不超過5度，根據(jù)傳感器測出的距離通過PID算法調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)整風(fēng)板的位置。

（2）鍵盤設(shè)置部分：鍵盤按下后，風(fēng)機(jī)作出相應(yīng)轉(zhuǎn)速，風(fēng)板達(dá)到指定位置。

（3）液晶顯示部分：液晶器顯示風(fēng)板位置及維持時間。

系統(tǒng)程序主要由角度檢測部分，PID調(diào)節(jié)部分和顯示部分組成。設(shè)定需求角度，通過獲取測量角度值來反饋給單片機(jī)，單片機(jī)做出相應(yīng)的PWM調(diào)節(jié),從而達(dá)到需求的角度。同時液晶將對實時采集的角度和按鍵值信息進(jìn)行顯示。

程序總體流程圖如圖3.6所示，PWM控制流程圖如圖3.7所示，12864液晶顯示電路流程圖如圖3.8所示。

圖 3.6 程序主流程圖     圖 3.7 PWM控制電路  圖 3.8 12864液晶程序流程圖

數(shù)字示波器、數(shù)字萬用表、量角器、秒表。

1. 硬件測試

對各個模塊進(jìn)行測試，測試通過后使用。

2. 軟件仿真測試

對程序的錯誤和不能正確實現(xiàn)的部分進(jìn)行調(diào)節(jié)和改正。

3. 硬件軟件聯(lián)調(diào)

對整體功能的實現(xiàn)進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)節(jié)。

a.風(fēng)板實際角度與角度傳感器角度比較

b.風(fēng)板角度與pwm關(guān)系如表4.2所示

根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，隨著PWM的增加，風(fēng)機(jī)的風(fēng)速逐漸加大，可以得出以下結(jié)論：

1.風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可通過PWM調(diào)控且成正比關(guān)系。

2.風(fēng)板實際角度與傳感器檢測的角度誤差2度以內(nèi)，當(dāng)穩(wěn)定時，角度誤差小于3度波動。

綜上所述，本系統(tǒng)達(dá)到部分設(shè)計要求，部分要求達(dá)不到。

電賽中讓我們的能力得到提高，足以成為我們努力付出的回報。在這十多天中，遇到過很多困難，從零開始了解學(xué)習(xí)新單片機(jī)MSP430F5529,軟件編寫過程中遇到了很多困難。軟件調(diào)試時，PID參量設(shè)置成了最頭疼的問題，過大調(diào)整系統(tǒng)波動較大，過小調(diào)整風(fēng)板很難達(dá)到預(yù)設(shè)角度，三天的參數(shù)調(diào)試一直沒能到達(dá)預(yù)設(shè)角度值，很遺憾沒能成功，以后得繼續(xù)加強(qiáng)學(xué)習(xí)。

理論與現(xiàn)實通過實踐聯(lián)系起來，我們在這次比賽中不再是局限于課本或是參考資料中的理論知識，而是把所有的實驗都按部就班的做過，并通過實驗結(jié)果對所理解的知識進(jìn)行了加強(qiáng)鞏固，更是對原來的理解偏差進(jìn)行了改正，使我們對平時所學(xué)的課程更加透徹。當(dāng)然，我們自己動手焊接了很多硬件電路，用到了大量的基礎(chǔ)知識，把實習(xí)中學(xué)到的焊接技術(shù)用上，對以前的知識進(jìn)行了一次整合。

再來，它增強(qiáng)了我們的溝通能力。合作精神是一個團(tuán)隊成立成長的根本所在，我們組雖然只有兩個人，但隊員從第一個合作項目起就十分的團(tuán)結(jié)，大家各有分工，共同討論，為我們?nèi)蘸蟮墓ぷ髂芰Υ蛳铝嘶�礎(chǔ)。這次大賽給予了我們很多，通過這次比賽大家一起交流學(xué)習(xí)，互幫互助，增強(qiáng)了合作意識。最后，我們衷心感謝此次主辦比賽的老師，祝愿此次大賽圓滿成功！