1、帆板控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告摘要：本設(shè)計(jì)以TI公司的超低功耗MCU MSP430處理器為核心，利用SCA61T高精度單軸傾角傳感器的特性、外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)能力，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)使帆板能更精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)定的角度，并通過(guò)液晶實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。也可通過(guò)按鍵操控控制風(fēng)力大小，來(lái)控制轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。以該系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的準(zhǔn)確性和完成任務(wù)的速度來(lái)判斷該設(shè)計(jì)的完成指標(biāo)。關(guān)鍵詞：MSP430 SCA61T 外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī) 帆板一、系統(tǒng)框圖 本次實(shí)驗(yàn)利用MSP430單片機(jī)接收由SCA61T傾角傳感器對(duì)帆板轉(zhuǎn)角進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的角度數(shù)據(jù),控制風(fēng)扇風(fēng)力的大小使帆板穩(wěn)定在固定的角度上,并通過(guò)液晶實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示帆板角度。（本設(shè)計(jì)的硬件實(shí)

2、物圖見(jiàn)附錄一），系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如下： 按鍵聲光提示風(fēng)扇帆板MSP430單片機(jī)傳感器液晶顯示 二、方案論證1、風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)選擇： 方案一：采用臺(tái)式計(jì)算機(jī)散熱風(fēng)扇，該風(fēng)扇的額定電壓為5V，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)它的風(fēng)力太小，不易控制，且不足以吹動(dòng)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)所要求的角度。故選擇放棄該方案。 方案二：采用步進(jìn)電機(jī)作為風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)，因?yàn)槊哭D(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值存在著誤差，不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。因此步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速很難精準(zhǔn)的確定下來(lái)，因此，若選擇該方案的話，對(duì)后面角度的計(jì)算將產(chǎn)生很大誤差，故選擇放棄該方案。 方案三：采用外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)作為風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)，外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速

3、的可控性強(qiáng)，從每分鐘幾轉(zhuǎn)到每分鐘幾萬(wàn)轉(zhuǎn)都可以很容易實(shí)現(xiàn)，而且變速平穩(wěn)、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、轉(zhuǎn)速的線性度好。外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)可以通過(guò)軟件編程調(diào)整它的轉(zhuǎn)速，而且外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)力大，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)它的風(fēng)量完全足以使帆板轉(zhuǎn)動(dòng)題目所要求的最大角度，而且帆板轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后，穩(wěn)定度也比較高。故選擇采用這種方案，來(lái)完成風(fēng)扇控制系統(tǒng)。2、帆板材料選擇： 方案一：采用輕質(zhì)木板作為帆板，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，輕質(zhì)木板只能勉強(qiáng)達(dá)到題目要求的60度，而且采用輕質(zhì)木板，不便于裝配傾角傳感器。故放棄該 方案。 方案二：采用紙板作為帆板，雖然具有取材便利和裝配SCA61T傾角傳感器方便的優(yōu)勢(shì)，但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)紙板質(zhì)量太輕

4、，轉(zhuǎn)過(guò)的角度很難穩(wěn)定住，故選擇放棄該方案。 方案三：采用塑料膜板，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)它完全能達(dá)到題目要求的最大角度60度，而且轉(zhuǎn)過(guò)的角度穩(wěn)定度也高，也能很好的解決如何裝配SCA61T傾角傳感器的問(wèn)題。故選擇采用該方案。3、電源控制器件選擇：方案一：采用三端穩(wěn)壓器7805，作為電源驅(qū)動(dòng)外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)控制器件，雖然也能完成實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)要求。但從電路的簡(jiǎn)單化、穩(wěn)定性方面考慮，故放棄該方案。 方案二：采用TI公司的LM317，LM317的輸出電壓范圍是1.2V至37V，負(fù)載電流最大為1.5A。而且它的使用非常簡(jiǎn)單，僅需兩個(gè)外界電阻來(lái)設(shè)置輸出電壓。此外，它的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。因此

5、選擇LM317作為本設(shè)計(jì)的電源控制器件不僅能完美的完成基本部分也能完成發(fā)揮部分，且電路簡(jiǎn)單固定，操作方便，故選擇該方案。（電源穩(wěn)壓模塊原理圖見(jiàn)附錄二）4、角度檢測(cè)模塊選擇： 方案一：采用MMA7260三軸加速度傳感器，它是一種可以對(duì)物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加速度進(jìn)行測(cè)量的電子設(shè)備，典型互動(dòng)應(yīng)用中加速度傳感器可以用來(lái)對(duì)物體的姿勢(shì)或運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)物體運(yùn)動(dòng)和方向改變輸出信號(hào)的電壓值。并且還具有低功耗、高靈敏度、設(shè)計(jì)穩(wěn)定、防震能力強(qiáng)、成本低等等優(yōu)勢(shì)。但是本次設(shè)計(jì)是要精準(zhǔn)的測(cè)試帆板所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，若選用MMA7260三軸傳感器，并不能很好的完成本次實(shí)驗(yàn)，故放棄該方案。 方案二：采用高精度單軸SCA61T傾

6、角傳感器，它具有雙輸出接口；模擬電壓輸出和數(shù)字接口SPI接口。還內(nèi)置了溫度傳感器和EEPROM存儲(chǔ)器，用于給傾角傳感器做溫度補(bǔ)償和存儲(chǔ)補(bǔ)償數(shù)據(jù)使用；此外它還具有自我檢測(cè)/驗(yàn)證引腳的功能，能通過(guò)此引腳（SELF TEST）檢測(cè)傳感器是否正常工作。此外SCA61T傾角傳感器，具有分辨率高、噪聲低、穩(wěn)定性好、抗沖擊能力強(qiáng)、反應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)。故選擇該方案。5、單片機(jī)最小系統(tǒng)MCU選擇：方案一：采用80C51單片機(jī)，它是一款八位單片機(jī)，具有32個(gè)I/O引腳，2個(gè)定時(shí)、計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源等等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于本次設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)全部功能，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠還需要借助其他芯片的輔助，才能完成實(shí)驗(yàn)要求。從節(jié)約成本和電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

7、單等等方面考慮，故放棄該方案。方案二：采用ATMEGAl6單片機(jī)，它是一款低功耗8位單片機(jī)，雖然它的性能比較好，并且也能完成實(shí)驗(yàn)要求，但他的價(jià)格比較貴，性價(jià)比不高。經(jīng)綜合考慮，放棄該方案。方案三：采用MSP430單片機(jī)，它是一個(gè)16位的功能強(qiáng)大的超低功耗微處理器，特別適合于電池應(yīng)用的場(chǎng)合，而且其集成度高，不需要加入其他的芯片進(jìn)行輔助，就能完成本次設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求，同時(shí)MSP430有豐富的不同類型器件可供選擇，給我們的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的靈活性，而且其性價(jià)比高。經(jīng)綜合考慮，選擇該方案。三、理論分析與計(jì)算：（1）外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)工作原理： 外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)由電機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。

8、電機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。電機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來(lái)控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來(lái)控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)的原理簡(jiǎn)圖如圖1所示：圖1（2）外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速控制與角度測(cè)量方法： （3）SCA61T傾角傳感器工作原理： 如圖2是SCA61T的引腳分布圖，各個(gè)引腳的功能如表1所示。SCA61T有兩

9、種工作模式：數(shù)字模式和模擬模式。在數(shù)字模式下：采用SPI接口（SCK，MISO，MOSI）進(jìn)行讀/寫；在模擬模式下：通過(guò)OUT引腳輸出不同的電壓值來(lái)對(duì)應(yīng)不同的角度，并且引腳SCK、MISO、MOSI和CSB必須懸空。對(duì)于本次設(shè)計(jì)只采用數(shù)字模式，圖3是數(shù)字SPI連接方式，將SCK、MISO、 MOSI和CSB引腳分別接到微控制器上，另外，由于對(duì)SCA61T進(jìn)行一次讀操作后得到的是11位數(shù)據(jù)，而標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口一次讀操作得到的是8位數(shù)據(jù)，所以必須采用軟件模擬SPI接口，而不能直接將引腳接到微控制器的硬件SPI接口。在數(shù)字SPI連接方式下，采用下式進(jìn)行角度計(jì)算：；式中：Dout是向SCA61T發(fā)送完

10、“讀x通道加速度值”命令RDAX后，從SCA61T讀回的11位數(shù)值，LSB為從最低位開(kāi)始的11位二進(jìn)制數(shù)；Dout0為數(shù)字漂移值1024；snes為設(shè)備的靈敏讀；所以要求得角度就要知道Dout的值。 圖2 表1 圖3四、系統(tǒng)硬件電路與程序設(shè)計(jì)（1）度數(shù)檢測(cè)部分（2）度數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示部分 通過(guò)按鍵來(lái)改變單片機(jī)I/O口所輸出的PWM信號(hào)，調(diào)控電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變帆板被吹動(dòng)的角度，液晶把帆板所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)的顯示出來(lái)。（3）風(fēng)扇恒流控制部分 通過(guò)電橋來(lái)輸出穩(wěn)定可調(diào)的電壓，使風(fēng)扇能更均勻的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)輸出電壓在穩(wěn)定下來(lái)之后，保持轉(zhuǎn)速恒定不變。從而使誤差達(dá)到最小。（電橋電路原理圖見(jiàn)附錄三）（4）總控制部分五、軟件設(shè)計(jì) 由于本系統(tǒng)中單片機(jī)只起到控制輸出和顯示作用，所以軟件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，啟動(dòng)后進(jìn)入角度測(cè)量，通過(guò)按鍵來(lái)控制單片機(jī)給外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)力的大小，并使用SCA61T傾角傳感器來(lái)測(cè)量角度，然后所測(cè)得的角度反過(guò)來(lái)給單片機(jī)，最后通過(guò)單片機(jī)控制液晶顯示出來(lái)，整個(gè)軟件設(shè)計(jì)形成一個(gè)循環(huán)的控制系統(tǒng)。（軟件流程圖見(jiàn)附錄四）六、測(cè)試方法與過(guò)程七、總結(jié)綜合上述的測(cè)試結(jié)果，本設(shè)計(jì)不僅圓滿地完成了題目的基本要求，還完美的完成了發(fā)揮部分的要求。使用的MSP430和SCA61T高精度單軸傾角傳感器大大的提高