天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王娜麗

風(fēng)力擺控制系統(tǒng)

天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王娜麗

本系統(tǒng)主要由MSP430-149單片機、軸流電機、萬向節(jié)、陀螺儀傳感器、電機驅(qū)動電路、降壓模塊。通過開關(guān)電源輸出12V電源經(jīng)過降壓模塊降壓輸出3．3V和5V電壓給驅(qū)動模塊，由MSP430-149輸出PWM給驅(qū)動電路，來控制風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，然后通過陀螺儀傳感器進行AD采集，進而控制蜂鳴器，發(fā)出響聲，完成各項任務(wù)。

MSP430 149單片機；角度傳感器；萬向節(jié)；直流軸風(fēng)機

1 基本要求

1)從靜止開始，15s內(nèi)控制風(fēng)力擺做類似自由擺運動，使激光筆穩(wěn)定地在地面畫出一條長度不短于50cm的直線段，其線性度偏差不大于±2.5cm，并且具有較好的重復(fù)性；

2)從靜止開始，15s內(nèi)完成幅度可控的擺動，畫出長度在30～60cm間可設(shè)置，長度偏差不大于±2.5cm的直線段，并且具有較好的重復(fù)性；

3)可設(shè)定擺動方向，風(fēng)力擺從靜止開始，15s內(nèi)按照設(shè)置的方向（角度）擺動，畫出不短于20cm的直線段；

4)將風(fēng)力擺拉起一定角度（30°～45°）放開，5s內(nèi)使風(fēng)力擺制動達到靜止?fàn)顟B(tài)。

2 總體設(shè)計方案

2.1 總體方案論證

本系統(tǒng)以430單片機作控制器，由開關(guān)電源產(chǎn)生12V電源，經(jīng)過降壓得到5V和3.3V的電源對風(fēng)機驅(qū)動電路進行供電，通過430進行輸出PWM給驅(qū)動電路控制直流軸風(fēng)機，風(fēng)機上裝陀螺儀傳感器，通過陀螺儀傳感器反饋信息來調(diào)節(jié)PWM進行風(fēng)機的調(diào)節(jié)，最后 進行調(diào)試完成規(guī)定的任務(wù)。

2.2 模塊方案論證

2．2．1 電源模塊（5V）

方案一：采用7805，7805三端穩(wěn)壓IC內(nèi)部電路具有過壓保護、過流保護、過熱保護功能，這使它的性能很穩(wěn)定。能夠?qū)崿F(xiàn)1A以上的輸出電流。電路設(shè)計簡單,器件具有良好的溫度系數(shù)，因此產(chǎn)品的應(yīng)用范圍很廣泛。

方案二：采用LM317，LM317的輸入最同電壓為30多伏，輸出電壓1.5--32V，電流1.5A，不過在用的時候要注意功耗問題、散熱問題。

通過以上比較分析，我們選用方案一。

2．2．2 電源模塊（3．3V）

方案一：采用LM317，LM317的輸入最同電壓為30多伏，輸出電壓1.5--32V，電流1.5A，不過在用的時候要注意功耗問題、散熱問題。

方案二：LM1117-N05B是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列中的一個。其壓差在1.2V輸出，負(fù)載電流為800mA時為1.2V。它與國家半導(dǎo)體的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件LM317有相同的管腳排列。LM1117有可調(diào)電壓的版本，通過2個外部電阻可實現(xiàn)1.25～13.8V輸出電壓范圍。另外還有5個固定電壓輸出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型號。 。

通過以上方案比較，我們選用方案二。

2．2．3 電源模塊（9V）

方案一：LM7809是三端正電源穩(wěn)壓電路,它有一系列固定的電壓輸出,應(yīng)用非常廣泛,每種類型由于內(nèi)部電流的限制,以及過熱保護和安全工作區(qū)的保護,使它基本上不會損壞,電路設(shè)計簡單。

方案二：采用LM317，LM317的輸入最同電壓為30多伏，輸出電壓1.5--32V，電流1.5A，不過在用的時候要注意功耗問題、散熱問題。

綜合以上的分析，選擇方案一。

2.3 風(fēng)機驅(qū)動模塊

方案一：采用PWM控制光電耦合器來控制MOS管IRF540起到控制電機的作用，頻率高，響應(yīng)速度快，電流大。

方案二：采用PWM控制光電耦合器來控制三極管TIP122起到控制電機的作用，響應(yīng)慢，功耗高，產(chǎn)熱多。

方案三：NewWay298-M電機驅(qū)動模塊是New way電子精心打造的一款電機驅(qū)動器，它能夠很方便的驅(qū)動2路直流電機或者1路步進電機，使用簡單,但是電流只有2A。

綜合以上的分析可知，選用IRF540頻率高，響應(yīng)速度快，電流較大，因此選擇方案一。

2.4 風(fēng)機選用

方案一：直流軸風(fēng)機 電壓12V 電流0.21A，功率較小電，機風(fēng)力較小，很難帶動風(fēng)機擺動。

方案二：直流軸風(fēng)機 電壓12V 電流0.7A，電機風(fēng)速適中，重量適中。

方案三：直流軸風(fēng)機 電壓12V電流3.3A，電機風(fēng)力較大，但重量太大，很難帶動電機擺動。

綜合上面參數(shù)的比較選用方案二。

2.5 傳感器模塊

方案一：選擇陀螺儀，陀螺儀傳感器是一個簡單易用的基于自由空間移動和手勢的定位和控制系統(tǒng)。在假象的平面上揮動鼠標(biāo)，屏幕上的光標(biāo)就會跟著移動，并可以繞著鏈接畫圈和點擊按鍵。 陀螺儀傳感器原本是運用到直升機模型上的。

方案二：選用角速度傳感器，角速度傳感器應(yīng)用Coriolis力原理，內(nèi)置特殊的陶瓷裝置，大大的簡化了設(shè)備結(jié)構(gòu)和電路裝置,從而具備優(yōu)越的操作特性。主要應(yīng)用于汽車導(dǎo)航,運動物體的位置控制和姿態(tài)控制,以及其它需要精確角度測量的場合。

根據(jù)上面的根據(jù)上面的性能比較選用方案一。

2.6 風(fēng)機搭建

方案一：選擇三角形搭法，三個風(fēng)機組合成一個三角。

方案二：選擇正方形搭法，用四個風(fēng)機組合成一個正四邊形。

方案三：選擇四邊形搭法，用四個風(fēng)機組合成一個菱形。

根據(jù)上面的根據(jù)上面的性能比較選用方案三。

3 重點電路設(shè)計

驅(qū)動模塊采用光電耦合器和MOS管IRF540搭建（圖1）。

4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與測試

4.1 測控方法

1)調(diào)節(jié)PWM控制風(fēng)機在一條直線上畫線，改變PWM的頻率，來改變畫線的長度。

2)在風(fēng)機上方安裝陀螺儀傳感器，測量風(fēng)機達到畫線要求時的AD值，并記錄，當(dāng)風(fēng)機達到要求時，采集AD值反饋給單片機，控制蜂鳴器的響聲。

3)在風(fēng)機下方安裝激光筆，顯示位置，實時觀察畫線距離，進行調(diào)試。

4)單擺周期公式 T=2π√L/g

用數(shù)學(xué)模型對風(fēng)機進行正交受力分析 Fx=Fcosθ、Fy=sinθ。

圖1 驅(qū)動電路

4.2 測試方法

1)選擇1，2號風(fēng)與3，4號風(fēng)機的中間對角線為基準(zhǔn)線（0度）。

2)打開激光頭對準(zhǔn)圖標(biāo)中點， 給單片機供電，打開裝置，通過改變1，2號風(fēng)與3,4號風(fēng)機的轉(zhuǎn)動時間，以此驅(qū)動風(fēng)力擺，觀察并記錄激光點的移動軌跡與達穩(wěn)定的時間，達到穩(wěn)定的狀態(tài)。

4.3 數(shù)據(jù)記錄