電磁控制運動裝置電路設計

王珍珍 韓玉文 李茂松

山東信息職業技術學院電子系 山東濰坊 261061

電磁控制運動裝置電路設計

王珍珍 韓玉文 李茂松

山東信息職業技術學院電子系 山東濰坊 261061

本設計以MSP430F149單片機作為主控芯片，采用ADXL345數字加速度傳感器作為電磁控制運動裝置傾斜角度測量模塊，由L298N直流電機驅動模塊控制電磁鐵實現運動裝置的啟動、按固定幅度擺動、按固定周期擺動、停止等功能，采用PID控制算法和PWM波調制技術，通過硬件設計和軟件編程，實現了電磁控制運動裝置的閉環調節系統，從而提高了整個系統的穩定性和響應速度。最后通過液晶屏LCD12864實現頻率和擺角等信息的實時顯示，并利用SYN6288語音播報模塊和發光二極管實現聲光提示。本設計能實現由靜止點開始，控制擺桿擺動。

MSP430F149單片機；角度傳感器；語音播報；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，它是一個16位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機，MSP430F149單片機具有體積小，功耗低，易于產品化，面向控制，抗干擾能力強等優點，非常適合C語言開發人員，特別是有9路PWM輸出，便于電機和電磁控制裝置的精確控制。適合本系統。

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，分辨率高(13位)，測量范圍達±16g。ADXL345非常適合移動設備應用。它可以在傾斜檢測應用中測量靜態重力加速度，還可以測量運動或沖擊導致的動態加速度。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化。完全可以達到本系統的要求。

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頻率成正比，磁場強度與擺桿的擺動幅度呈正比，這樣，改變電感線圈的電流大小和方向，便可以實現擺桿的幅度和頻率的準確調節，且系統容易實現，控制簡單。

4、語音播報模塊的論證與選擇

SYN6288系列語音芯片。硬件接口簡單，性價比極高，語音合成效果和智能識別效果大幅度提高，清晰、自然、準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，可正確識別數值、號碼、時間日期及常用的度量衡符號，支持多種文本控制標記，支持休眠功能，在休眠狀態下可降低功耗；支持多種方式查詢芯片工作狀態，支持串行數據通訊接口。

二、電路設計

1、單片機最小系統

本設計本設計利用MSP430F149單片機為控制核心，以獨立鍵盤做為輸入，通過從角度傳感器模塊采集的運動擺桿傾斜角度，經過PID控制算法和PWM波調制，通過控制L298驅動模塊來控制電磁圈的磁性。為了達到精確運動擺桿擺角的目的，設計中采用PWM技術和PID控制技術。

2、電機驅動模塊電路

此文采用L298N芯片對電機進行驅動，用MSP430單片機的端口作為控制信號的輸出端，通過輸出脈沖信號控制電機的驅動。

3、角度傳感器模塊電路

此設計采用采用ADXL345角度傳感器模塊，用MSP430單片機經過PID控制算法控制角度傳感器，進行運動擺桿的角度精度調節。

三、系統調試

本系統采用自下而上的調試方法，對單獨調試好的每一個模塊進行調用，然后連接成一個完整的系統調試。通過對角度傳感器的數據進行讀取，獲取擺桿的運動參數，對數據分析后通過PID產生設置量和當前量的偏差，生成對應的調教量，即PWM的占空比，調節驅動模塊的輸出電壓，從而改變電磁圈線圈的磁性強度，實現幅度調整。通過對MSP430F149的定時器B進行定時，分時的控制電磁線圈的磁場方向變化，從而實現擺桿的頻率變化。

四、結論

本裝置能夠實現以下功能：按下啟動按鈕，由靜止點開始，控制擺桿擺動；由靜止點開始，控制擺桿在指定的擺角，并且能在0~45度間連續擺動，擺動誤差下，響應時間短；在擺桿連續擺動的情況下，按下停止按鈕，控制擺桿平穩地停在靜止點上。本設計可以很好的利用MSP430F149單片機、ADXL345數字加速度傳感器、L298N直流電機驅動模塊液晶屏以及LCD12864SYN6288語音播報模塊的各項功能，能實現擺動控制，但是在系統的平穩性以及創新性還有待加強。

附錄：ADXL345角度傳感器電路圖

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

[2]王東鋒編.單片機C語言應用一百例.電子工業出版社.

[3]楊子文.單片機原理及應用.西安電子科技大學出版社.

[4]徐建俊.電機與電氣控制項目教程.機械工業出版社.