单片机风板控制系统校园高等电子设计大赛报告

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。

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MSP430F5529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，在低功耗方面有显著的优势，处理数据快，且其片内资源丰富，满足系统设计需求。

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。

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。

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。

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，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，采用方案二可调升压降压模块作为系统的供电模块。

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：

加速度传感器Z轴与自然坐标轴Z轴夹角 ；

加速度传感器X轴与自然坐标轴X轴夹角 ；

加速度传感器Y轴与自然坐标轴Y轴夹角 。

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。

本系统采用增量式PID算法，PID控制主要是通过求出增量，将原先的积分环节的累积作用进行了替换，避免积分环节占用大量计算性能和存储空间。由于增量式需要对控制量进行记忆，所以对于不带记忆装置的系统，只能使用位置式PID控制方式进行控制。

增量式PID控制的主要优点为：①算式中不需要累加。控制增量Δu(k)的确定仅与最近3次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果；②计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响范围小、不会严重影响生产过程；③手动—自动切换时冲击小。当控制从手动向自动切换时，可以作到无扰动切换。

系统总体框图如图3.1所示。

图 3.1   系统总体框图

MSP430F5529单片机，其最小系统包括电源电路、复位电路、时钟电路，具体电路设计如图3.2所示。

图 3.2   最小系统原理图

本系统中要实时监控风板的角度，系统采用mpu6050传感器,通过计算可迅速得出测量的角度，从而反馈给单片机进行相应操作。

本系统采用LCD12864作为显示，模块电路图如图 3.3所示。

图 3.3  LCD12864电路图

电机驱动芯片L298N内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器。L298可驱动2个电机，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。利用单片机产生PWM信号接到ENA，ENB端子，对电机的转速进行调节。电机驱动电路如图3.4所示。

图 3.4   电机驱动

在电子电路及设备中，一般都需要稳定的直流电源供电。小功率的稳压电源的组成如图3.5所示，它由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。

图 3.5 直流稳压电路工作原理

根据设计要求，软件部分主要实现风机转速控制以及声光报警与液晶显示。

（1）风机转速控制部分：在键盘按下设定风板的角度后，风板15s内处于指定位置并稳定5秒以上，上下波动不超过5度，根据传感器测出的距离通过PID算法调整风机转速来调整风板的位置。

（2）键盘设置部分：键盘按下后，风机作出相应转速，风板达到指定位置。

（3）液晶显示部分：液晶器显示风板位置及维持时间。

系统程序主要由角度检测部分，PID调节部分和显示部分组成。设定需求角度，通过获取测量角度值来反馈给单片机，单片机做出相应的PWM调节,从而达到需求的角度。同时液晶将对实时采集的角度和按键值信息进行显示。

程序总体流程图如图3.6所示，PWM控制流程图如图3.7所示，12864液晶显示电路流程图如图3.8所示。

图 3.6 程序主流程图     图 3.7 PWM控制电路  图 3.8 12864液晶程序流程图

数字示波器、数字万用表、量角器、秒表。

1. 硬件测试

对各个模块进行测试，测试通过后使用。

2. 软件仿真测试

对程序的错误和不能正确实现的部分进行调节和改正。

3. 硬件软件联调

对整体功能的实现进行进一步调节。

a.风板实际角度与角度传感器角度比较

b.风板角度与pwm关系如表4.2所示

根据上述测试数据，随着PWM的增加，风机的风速逐渐加大，可以得出以下结论：

1.风机的转速可通过PWM调控且成正比关系。

2.风板实际角度与传感器检测的角度误差2度以内，当稳定时，角度误差小于3度波动。

综上所述，本系统达到部分设计要求，部分要求达不到。

电赛中让我们的能力得到提高，足以成为我们努力付出的回报。在这十多天中，遇到过很多困难，从零开始了解学习新单片机MSP430F5529,软件编写过程中遇到了很多困难。软件调试时，PID参量设置成了最头疼的问题，过大调整系统波动较大，过小调整风板很难达到预设角度，三天的参数调试一直没能到达预设角度值，很遗憾没能成功，以后得继续加强学习。

理论与现实通过实践联系起来，我们在这次比赛中不再是局限于课本或是参考资料中的理论知识，而是把所有的实验都按部就班的做过，并通过实验结果对所理解的知识进行了加强巩固，更是对原来的理解偏差进行了改正，使我们对平时所学的课程更加透彻。当然，我们自己动手焊接了很多硬件电路，用到了大量的基础知识，把实习中学到的焊接技术用上，对以前的知识进行了一次整合。

再来，它增强了我们的沟通能力。合作精神是一个团队成立成长的根本所在，我们组虽然只有两个人，但队员从第一个合作项目起就十分的团结，大家各有分工，共同讨论，为我们日后的工作能力打下了基础。这次大赛给予了我们很多，通过这次比赛大家一起交流学习，互帮互助，增强了合作意识。最后，我们衷心感谢此次主办比赛的老师，祝愿此次大赛圆满成功！