帆板控制系统
摘要：本设计给出了以MSP430F149为核心的帆板控制系统的基本原理与实现方
案。由倾角测量模块、电机驱动模块、12864显示模块、丝杆传动模块等模块组成。采用编码器实现倾角的精确测量；采用直流电机驱动风扇；采用步进电机带动丝杆；系统功能由按键控制，可对测量结果进行实时显示，人机交互界面友好，经测试，达到了较好的性能指标。
关键词：MSP430F149，编码器，电机驱动
The Panels Control System
Abstract ：This design gives the basic principle to MSP430F149 as the
core of the panel control system and implementation scheme. The angle measurement module, motor driver module, display module, 12864 screw drive module and etc.. Accurate measurement of the angle encoder implementation; DC motor drives the fan; the stepper motor drives the screw rod; system function by the button control, can carry out real-time display of measurement results, friendly man-machine interface, the test, to achieve good performance.
Keywords: MSP430F149, encoder, motor drive
1 系统方案设计与论证
1.1 系统总体方案设计
如图1所示总系统以MSP430单片机为控制核心，高精度编码器为倾角探测器，采用直流电机带动风扇旋转，通过操作矩阵键盘控制风力大小，使帆板转角θ能够在0~60°范围内变化；通过液晶12864实时显示帆板转角大小；通过步进电机控制丝杆转动带动直流电机前进后退。
图1 系统总框图
1.2 设计方案论证 1.2.1电机模块
方案一：采用步进电机，步进电机扭力较大，转速稳定。但转速太慢，无法带动风扇吹起帆板，达不到所需要求。
方案二：采用直流电机，直流电机能提供较高的转速，噪音小，性价比高且外围硬件结构简单，仅通过调节占空比就可实现对风扇的转速调节，实际操作简单。
通过以上分析，故选择方案二。
1.2.2倾角测量模块
方案一：采用MMA7455数字加速度角度传感器。低功耗，输出精确，具有信号调理、低通滤波、温度补偿、自测、以及快速运动检测等功能。但是它的分辨力较差，很难满足精度要求。
方案二：采用绝对式编码器，它可以将角位移转换为电信号，它的每一个位
置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关，其分辨率可达4096，精度十分高。
通过以上分析，采取方案二。
2 理论分析与计算
2.1 角度测量原理
绝对式编码器有与位置相对应的代码输出, 通常为二进制码或BCD 码。从代码数大小的变化可以判别正反方向和位移所处的位置, 绝对零位代码还可以用于停电位置记忆。绝对式编码器的测量范围常规为0～360°。其特点可以直接读出角度坐标的绝对值; 没有累积误差; 电源切除后位置信息不会丢失。
2.2 风扇控制及控制算法
首先将60°分为12等份，通过实验找出每一等份所对应PWM 的脉宽值，将每一等份的值存入第一个数组中，从而得到第一个初始数据列表。在系统运行前还可以通过自动校验功能得到第二个脉宽数据列表，通过判断选择一个更为恰当的值，从而更新到第二个数据列表中。当键入设定值后，用查表法找出对应的PWM 脉宽值，通过直接调节电机的PWM 脉宽，使帆板快速的到达预定位置的附近，即实现粗调。再通过检测传感器实时的反馈值，利用PID 算法将帆板进一步稳定在预定位置上，即实现细调。当系统稳定后，系统在将当前的PWM 脉宽值保存到第二个数据列表中，从而得到一个更新的数据列表，以实现下次更有效地完成要求。通过粗调和细调使系统更快地到达预定的位置。
3 电路与程序设计 3.1 风扇控制电路设计计算 3.1.1 电机驱动模块
电机驱动模块如图2所示，驱动电路由光耦、L298N 、二极管构成。其中L298N 专用于驱动集成电路，可以驱动大功率的直流电机，在电路中加入二极管的作用是在产生反向电流时进行泄流，保护芯片安全。L298N 的输入端可与单片机直接相连，为了避免电机对单片机的干扰，L298N 模块加入光耦，进行光电隔离，从而使系统处于可靠稳定的工作状态。 电机的额定电流 I=0.5A
电路中电阻 R=24Ω 电机有效电压最大值 U=12v
由欧姆定律 I=U/R 得通过电机最大电流 I=12V/24Ω=0.5A
图2 电机驱动原理图 3.2软件设计流程
3.3总体电路设计
总体电路设计如图4所示：它包括电源模块、声光提示模块、控制与显示模块、角度传感器模块、电机驱动模块和键盘输入模块。
图4 总体电路图
4 测试方案与测试结果 4.1测试仪器
秒表：量角器、直尺
4.2系统测试方法及测试数据
先手动转动帆板，观察实际转角与显示转角。然后利用键盘输入一个角度，通过单片机对电机控制调节帆板的转角。待系统稳定后，再测量帆板实际转角，与显示屏上的度数进行对比，以此来验证系统的准确性。测试数据见表1。
4.3测试结果分析
帆板在45度角附近时比较稳定，小角度时不太稳定，误差比较大。 5 总结
本系统基本实现了题目要求的基本部分和发挥部分的要求，本系统十分稳定，
风机的移动采用丝杆传动的原理，通过步进电机控制，但由于实际制造的时候的偏差，丝杆传动的效果不是很理想。另外，本系统通过液晶实时显示帆板的转动角度，风机马力，十分直观。
6参考文献
【1】 秦龙.MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲. 北京：电子工业出版
社.2007.7
【2】 洪利. 章扬. 李世宝..MSP430单片机原理与应用实例详解[M].北京航空航
天大学出版社.2010.7
【3】 胡大可. MSP430系列单片机C 语言程序设计与开发. 北京：北京航空航天
大学大学出版社，2001.
【4】 叶贞贞. 角度传感器简单应用系统[J] .科技致富向导，2010 (15).
帆板控制系统
摘要：本设计给出了以MSP430F149为核心的帆板控制系统的基本原理与实现方
案。由倾角测量模块、电机驱动模块、12864显示模块、丝杆传动模块等模块组成。采用编码器实现倾角的精确测量；采用直流电机驱动风扇；采用步进电机带动丝杆；系统功能由按键控制，可对测量结果进行实时显示，人机交互界面友好，经测试，达到了较好的性能指标。
关键词：MSP430F149，编码器，电机驱动
The Panels Control System
Abstract ：This design gives the basic principle to MSP430F149 as the
core of the panel control system and implementation scheme. The angle measurement module, motor driver module, display module, 12864 screw drive module and etc.. Accurate measurement of the angle encoder implementation; DC motor drives the fan; the stepper motor drives the screw rod; system function by the button control, can carry out real-time display of measurement results, friendly man-machine interface, the test, to achieve good performance.
Keywords: MSP430F149, encoder, motor drive
1 系统方案设计与论证
1.1 系统总体方案设计
如图1所示总系统以MSP430单片机为控制核心，高精度编码器为倾角探测器，采用直流电机带动风扇旋转，通过操作矩阵键盘控制风力大小，使帆板转角θ能够在0~60°范围内变化；通过液晶12864实时显示帆板转角大小；通过步进电机控制丝杆转动带动直流电机前进后退。
图1 系统总框图
1.2 设计方案论证 1.2.1电机模块
方案一：采用步进电机，步进电机扭力较大，转速稳定。但转速太慢，无法带动风扇吹起帆板，达不到所需要求。
方案二：采用直流电机，直流电机能提供较高的转速，噪音小，性价比高且外围硬件结构简单，仅通过调节占空比就可实现对风扇的转速调节，实际操作简单。
通过以上分析，故选择方案二。
1.2.2倾角测量模块
方案一：采用MMA7455数字加速度角度传感器。低功耗，输出精确，具有信号调理、低通滤波、温度补偿、自测、以及快速运动检测等功能。但是它的分辨力较差，很难满足精度要求。
方案二：采用绝对式编码器，它可以将角位移转换为电信号，它的每一个位
置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关，其分辨率可达4096，精度十分高。
通过以上分析，采取方案二。
2 理论分析与计算
2.1 角度测量原理
绝对式编码器有与位置相对应的代码输出, 通常为二进制码或BCD 码。从代码数大小的变化可以判别正反方向和位移所处的位置, 绝对零位代码还可以用于停电位置记忆。绝对式编码器的测量范围常规为0～360°。其特点可以直接读出角度坐标的绝对值; 没有累积误差; 电源切除后位置信息不会丢失。
2.2 风扇控制及控制算法
首先将60°分为12等份，通过实验找出每一等份所对应PWM 的脉宽值，将每一等份的值存入第一个数组中，从而得到第一个初始数据列表。在系统运行前还可以通过自动校验功能得到第二个脉宽数据列表，通过判断选择一个更为恰当的值，从而更新到第二个数据列表中。当键入设定值后，用查表法找出对应的PWM 脉宽值，通过直接调节电机的PWM 脉宽，使帆板快速的到达预定位置的附近，即实现粗调。再通过检测传感器实时的反馈值，利用PID 算法将帆板进一步稳定在预定位置上，即实现细调。当系统稳定后，系统在将当前的PWM 脉宽值保存到第二个数据列表中，从而得到一个更新的数据列表，以实现下次更有效地完成要求。通过粗调和细调使系统更快地到达预定的位置。
3 电路与程序设计 3.1 风扇控制电路设计计算 3.1.1 电机驱动模块
电机驱动模块如图2所示，驱动电路由光耦、L298N 、二极管构成。其中L298N 专用于驱动集成电路，可以驱动大功率的直流电机，在电路中加入二极管的作用是在产生反向电流时进行泄流，保护芯片安全。L298N 的输入端可与单片机直接相连，为了避免电机对单片机的干扰，L298N 模块加入光耦，进行光电隔离，从而使系统处于可靠稳定的工作状态。 电机的额定电流 I=0.5A
电路中电阻 R=24Ω 电机有效电压最大值 U=12v
由欧姆定律 I=U/R 得通过电机最大电流 I=12V/24Ω=0.5A
图2 电机驱动原理图 3.2软件设计流程
3.3总体电路设计
总体电路设计如图4所示：它包括电源模块、声光提示模块、控制与显示模块、角度传感器模块、电机驱动模块和键盘输入模块。
图4 总体电路图
4 测试方案与测试结果 4.1测试仪器
秒表：量角器、直尺
4.2系统测试方法及测试数据
先手动转动帆板，观察实际转角与显示转角。然后利用键盘输入一个角度，通过单片机对电机控制调节帆板的转角。待系统稳定后，再测量帆板实际转角，与显示屏上的度数进行对比，以此来验证系统的准确性。测试数据见表1。
4.3测试结果分析
帆板在45度角附近时比较稳定，小角度时不太稳定，误差比较大。 5 总结
本系统基本实现了题目要求的基本部分和发挥部分的要求，本系统十分稳定，
风机的移动采用丝杆传动的原理，通过步进电机控制，但由于实际制造的时候的偏差，丝杆传动的效果不是很理想。另外，本系统通过液晶实时显示帆板的转动角度，风机马力，十分直观。
6参考文献
【1】 秦龙.MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲. 北京：电子工业出版
社.2007.7
【2】 洪利. 章扬. 李世宝..MSP430单片机原理与应用实例详解[M].北京航空航
天大学出版社.2010.7
【3】 胡大可. MSP430系列单片机C 语言程序设计与开发. 北京：北京航空航天
大学大学出版社，2001.
【4】 叶贞贞. 角度传感器简单应用系统[J] .科技致富向导，2010 (15).