王珍珍 韓玉文 李茂松

山東信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系 山東濰坊 261061

電磁控制運(yùn)動(dòng)裝置電路設(shè)計(jì)

王珍珍 韓玉文 李茂松

山東信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系 山東濰坊 261061

本設(shè)計(jì)以MSP430F149單片機(jī)作為主控芯片，采用ADXL345數(shù)字加速度傳感器作為電磁控制運(yùn)動(dòng)裝置傾斜角度測量模塊，由L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制電磁鐵實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)裝置的啟動(dòng)、按固定幅度擺動(dòng)、按固定周期擺動(dòng)、停止等功能，采用PID控制算法和PWM波調(diào)制技術(shù)，通過硬件設(shè)計(jì)和軟件編程，實(shí)現(xiàn)了電磁控制運(yùn)動(dòng)裝置的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。最后通過液晶屏LCD12864實(shí)現(xiàn)頻率和擺角等信息的實(shí)時(shí)顯示，并利用SYN6288語音播報(bào)模塊和發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)聲光提示。本設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)由靜止點(diǎn)開始，控制擺桿擺動(dòng)。

MSP430F149單片機(jī)；角度傳感器；語音播報(bào)；LCD12864液晶顯示

一、模塊論證

1、控制模塊的論證與選擇

此方案采用MSP430系列的MSP430F149單片機(jī)，它是一個(gè)16位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機(jī)，MSP430F149單片機(jī)具有體積小，功耗低，易于產(chǎn)品化，面向控制，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合C語言開發(fā)人員，特別是有9路PWM輸出，便于電機(jī)和電磁控制裝置的精確控制。適合本系統(tǒng)。

2、角度傳感器的論證與選擇

ADXL345角度傳感器。ADXL345是一款小而薄的超低功耗3 軸加速度計(jì)，分辨率高(13位)，測量范圍達(dá)±16g。ADXL345非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用。它可以在傾斜檢測應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化。完全可以達(dá)到本系統(tǒng)的要求。

3、電磁控制裝置的方案與論證

采用帶磁芯的電感線圈，利用改變電流方向來改變線圈磁極變化來牽引磁鐵。電感線圈的磁極變化頻率和擺桿的擺動(dòng)頻率成正比，磁場強(qiáng)度與擺桿的擺動(dòng)幅度呈正比，這樣，改變電感線圈的電流大小和方向，便可以實(shí)現(xiàn)擺桿的幅度和頻率的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，且系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)，控制簡單。

4、語音播報(bào)模塊的論證與選擇

SYN6288系列語音芯片。硬件接口簡單，性價(jià)比極高，語音合成效果和智能識(shí)別效果大幅度提高，清晰、自然、準(zhǔn)確的中文語音合成效果；可合成任意的中文文本，支持英文字母的合成，具有智能的文本分析處理算法，可正確識(shí)別數(shù)值、號(hào)碼、時(shí)間日期及常用的度量衡符號(hào)，支持多種文本控制標(biāo)記，支持休眠功能，在休眠狀態(tài)下可降低功耗；支持多種方式查詢芯片工作狀態(tài)，支持串行數(shù)據(jù)通訊接口。

二、電路設(shè)計(jì)

1、單片機(jī)最小系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)利用MSP430F149單片機(jī)為控制核心，以獨(dú)立鍵盤做為輸入，通過從角度傳感器模塊采集的運(yùn)動(dòng)擺桿傾斜角度，經(jīng)過PID控制算法和PWM波調(diào)制，通過控制L298驅(qū)動(dòng)模塊來控制電磁圈的磁性。為了達(dá)到精確運(yùn)動(dòng)擺桿擺角的目的，設(shè)計(jì)中采用PWM技術(shù)和PID控制技術(shù)。

2、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路

此文采用L298N芯片對電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，用MSP430單片機(jī)的端口作為控制信號(hào)的輸出端，通過輸出脈沖信號(hào)控制電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

3、角度傳感器模塊電路

此設(shè)計(jì)采用采用ADXL345角度傳感器模塊，用MSP430單片機(jī)經(jīng)過PID控制算法控制角度傳感器，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)擺桿的角度精度調(diào)節(jié)。

三、系統(tǒng)調(diào)試

本系統(tǒng)采用自下而上的調(diào)試方法，對單獨(dú)調(diào)試好的每一個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)用，然后連接成一個(gè)完整的系統(tǒng)調(diào)試。通過對角度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，獲取擺桿的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，對數(shù)據(jù)分析后通過PID產(chǎn)生設(shè)置量和當(dāng)前量的偏差，生成對應(yīng)的調(diào)教量，即PWM的占空比，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊的輸出電壓，從而改變電磁圈線圈的磁性強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)整。通過對MSP430F149的定時(shí)器B進(jìn)行定時(shí)，分時(shí)的控制電磁線圈的磁場方向變化，從而實(shí)現(xiàn)擺桿的頻率變化。

四、結(jié)論

本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：按下啟動(dòng)按鈕，由靜止點(diǎn)開始，控制擺桿擺動(dòng)；由靜止點(diǎn)開始，控制擺桿在指定的擺角，并且能在0~45度間連續(xù)擺動(dòng)，擺動(dòng)誤差下，響應(yīng)時(shí)間短；在擺桿連續(xù)擺動(dòng)的情況下，按下停止按鈕，控制擺桿平穩(wěn)地停在靜止點(diǎn)上。本設(shè)計(jì)可以很好的利用MSP430F149單片機(jī)、ADXL345數(shù)字加速度傳感器、L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊液晶屏以及LCD12864SYN6288語音播報(bào)模塊的各項(xiàng)功能，能實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)控制，但是在系統(tǒng)的平穩(wěn)性以及創(chuàng)新性還有待加強(qiáng)。

附錄：ADXL345角度傳感器電路圖

[1]沈建華.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理.北京航空航天大學(xué)出版社.

[2]王東鋒編.單片機(jī)C語言應(yīng)用一百例.電子工業(yè)出版社.

[3]楊子文.單片機(jī)原理及應(yīng)用.西安電子科技大學(xué)出版社.

[4]徐建俊.電機(jī)與電氣控制項(xiàng)目教程.機(jī)械工業(yè)出版社.