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

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(jī)、軸流電機(jī)、萬向節(jié)、陀螺儀傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)模塊，由MSP430-149輸出PWM給驅(qū)動(dòng)電路，來控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后通過陀螺儀傳感器進(jìn)行AD采集，進(jìn)而控制蜂鳴器，發(fā)出響聲，完成各項(xiàng)任務(wù)。

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

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(yùn)動(dòng)，使激光筆穩(wěn)定地在地面畫出一條長(zhǎng)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(dòng)，畫出長(zhǎng)度在30～60cm間可設(shè)置，長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)，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(dòng)達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)。

2 總體設(shè)計(jì)方案

2.1 總體方案論證

本系統(tǒng)以430單片機(jī)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(duì)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行供電，通過430進(jìn)行輸出PWM給驅(qū)動(dòng)電路控制直流軸風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)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(jìn)行風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)，最后 進(jìn)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(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)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(jì)簡(jiǎn)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(shí)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(shí)候要注意功耗問題、散熱問題。

方案二：LM1117-N05B是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列中的一個(gè)。其壓差在1.2V輸出，負(fù)載電流為800mA時(shí)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(gè)外部電阻可實(shí)現(xiàn)1.25～13.8V輸出電壓范圍。另外還有5個(gè)固定電壓輸出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型號(hào)。 。

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(hù)和安全工作區(qū)的保護(hù),使它基本上不會(huì)損壞,電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(shí)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)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(jī)的作用，響應(yīng)慢，功耗高，產(chǎn)熱多。

方案三：NewWay298-M電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是New way電子精心打造的一款電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它能夠很方便的驅(qū)動(dòng)2路直流電機(jī)或者1路步進(jìn)電機(jī)，使用簡(jiǎn)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(jī)選用

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

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

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

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(gè)簡(jiǎn)單易用的基于自由空間移動(dòng)和手勢(shì)的定位和控制系統(tǒng)。在假象的平面上揮動(dòng)鼠標(biāo)，屏幕上的光標(biāo)就會(huì)跟著移動(dòng)，并可以繞著鏈接畫圈和點(diǎn)擊按鍵。 陀螺儀傳感器原本是運(yùn)用到直升機(jī)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(jiǎn)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(yùn)動(dòng)物體的位置控制和姿態(tài)控制,以及其它需要精確角度測(cè)量的場(chǎng)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(jī)搭建

方案一：選擇三角形搭法，三個(gè)風(fēng)機(jī)組合成一個(gè)三角。

方案二：選擇正方形搭法，用四個(gè)風(fēng)機(jī)組合成一個(gè)正四邊形。

方案三：選擇四邊形搭法，用四個(gè)風(fēng)機(jī)組合成一個(gè)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(diǎn)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)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(cè)試

4.1 測(cè)控方法

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

2)在風(fēng)機(jī)上方安裝陀螺儀傳感器，測(cè)量風(fēng)機(jī)達(dá)到畫線要求時(shí)的AD值，并記錄，當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到要求時(shí)，采集AD值反饋給單片機(jī)，控制蜂鳴器的響聲。

3)在風(fēng)機(jī)下方安裝激光筆，顯示位置，實(shí)時(shí)觀察畫線距離，進(jìn)行調(diào)試。

4)單擺周期公式 T=2π√L/g

用數(shù)學(xué)模型對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行正交受力分析 Fx=Fcosθ、Fy=sinθ。

圖1 驅(qū)動(dòng)電路

4.2 測(cè)試方法

1)選擇1，2號(hào)風(fēng)與3，4號(hào)風(fēng)機(jī)的中間對(duì)角線為基準(zhǔn)線（0度）。

2)打開激光頭對(duì)準(zhǔn)圖標(biāo)中點(diǎn)， 給單片機(jī)供電，打開裝置，通過改變1，2號(hào)風(fēng)與3,4號(hào)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，以此驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺，觀察并記錄激光點(diǎn)的移動(dòng)軌跡與達(dá)穩(wěn)定的時(shí)間，達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。

4.3 數(shù)據(jù)記錄