風力擺控制系統(tǒng)

天津現(xiàn)代職業(yè)技術學院 王娜麗

風力擺控制系統(tǒng)

天津現(xiàn)代職業(yè)技術學院 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、電機驅動電路、降壓模塊。通過開關電源輸出12V電源經過降壓模塊降壓輸出3．3V和5V電壓給驅動模塊，由MSP430-149輸出PWM給驅動電路，來控制風機的轉速，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。

MSP430 149單片機；角度傳感器；萬向節(jié)；直流軸風機

1 基本要求

1)從靜止開始，15s內控制風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性；

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

3)可設定擺動方向，風力擺從靜止開始，15s內按照設置的方向（角度）擺動，畫出不短于20cm的直線段；

4)將風力擺拉起一定角度（30°～45°）放開，5s內使風力擺制動達到靜止狀態(tài)。

2 總體設計方案

2.1 總體方案論證

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

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。能夠實現(xiàn)1A以上的輸出電流。電路設計簡單,器件具有良好的溫度系數(shù)，因此產品的應用范圍很廣泛。

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節(jié)器系列中的一個。其壓差在1.2V輸出，負載電流為800mA時為1.2V。它與國家半導體的工業(yè)標準器件LM317有相同的管腳排列。LM1117有可調電壓的版本，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,應用非常廣泛,每種類型由于內部電流的限制,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 風機驅動模塊

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，響應慢，功耗高，產熱多。

方案三：NewWay298-M電機驅動模塊是New way電子精心打造的一款電機驅動器，它能夠很方便的驅動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，響應速度快，電流較大，因此選擇方案一。

2.4 風機選用

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

方案二：直流軸風機 電壓12V 電流0.7A，電機風速適中，重量適中。

方案三：直流軸風機 電壓12V電流3.3A，電機風力較大，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，屏幕上的光標就會跟著移動，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，角速度傳感器應用Coriolis力原理，內置特殊的陶瓷裝置，大大的簡化了設備結構和電路裝置,從而具備優(yōu)越的操作特性。主要應用于汽車導航,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 風機搭建

方案一：選擇三角形搭法，三個風機組合成一個三角。

方案二：選擇正方形搭法，用四個風機組合成一個正四邊形。

方案三：選擇四邊形搭法，用四個風機組合成一個菱形。

根據(jù)上面的根據(jù)上面的性能比較選用方案三。

3 重點電路設計

驅動模塊采用光電耦合器和MOS管IRF540搭建（圖1）。

4 系統(tǒng)聯(lián)調與測試

4.1 測控方法

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

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

3)在風機下方安裝激光筆，顯示位置，實時觀察畫線距離，進行調試。

4)單擺周期公式 T=2π√L/g

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

圖1 驅動電路

4.2 測試方法

1)選擇1，2號風與3，4號風機的中間對角線為基準線（0度）。

2)打開激光頭對準圖標中點， 給單片機供電，打開裝置，通過改變1，2號風與3,4號風機的轉動時間，以此驅動風力擺，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