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、显示模块、调节模块等模块组成。
采用SCA103T倾角传感器，可实现倾角精确测量。
采用直流电机驱动风扇。
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，倾角传感器，电机驱动
The Panels Control System
Abstract: The basic principle and implements solutions of the control system of the panels are given using MSP430F149 as the core. It is composed by inclination measurement modules, motor driver module, display module and adjust module. It can realize precision measurement using the SCA103T tilt sensor. Fan is driver by the dc motor, The system function is controlled by keys and the measurement result can be real-time displayed, the system has good man-machine interface and achieved better performance indicators by test,.
Keywords: MSP430F149，Inclination sensor，motor driver
1系统方案
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SCA103T-D05倾角传感器为倾角探测器，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，并通过液晶QC12864B实时显示帆板转角大小。
图1 总系统框图
1.2设计方案论证
1.2.1倾角测量模块
方案一：采用陀螺仪ENC-03M角速度传感器，它是一种应用科氏力原理的角速度传感器，它可以输出一个和角速度成正比的电压信号。
它体积小，响应快。
但测量精度较低，分辨力只能达到10°左右。
不能满足设计要求，故不采用此方案。
方案二：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。
方案三：采用SCA103T倾角传感器。
它的设计稳健，高冲击耐久性强，且具有极高的精准度和极低的温度依赖性，并且提供SPI数字接口，可以直接读取采集到的数据，设计简单方便。
通过以上分析，故选择方案三。
1.2.2 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，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，便于实际操作。
通过以上分析，故选择方案二。
1.2.3 风向控制模块
方案一：采用圆筒形风罩，如图2所示。
可使风力集中作用在帆板上，提高风力利用率，但不能提高风向稳定性。
方案二：采用百叶窗形风罩，如图3所示。
一方面可使风力集中作用在帆板上，另一方面可调整风向，使风向由螺旋型转变为相互平行型，使帆板均匀受力，提高了帆板的稳定性。
通过以上分析，故选择方案二。
图2 圆筒形风罩图3 百叶窗形风罩
2 理论分析与计算
2.1 角度测量原理
本设计采用SCA103T倾角传感器，其测量范围是±30°，题目要求测量范围为0~60°。
因此本设计将倾角传感器与帆板成60°角固定在转轴上，当帆板偏转角为0°时，倾角传感器与水平面成－30°，当帆板偏转90°时，倾角传感器与水平面成+30°。
具体测量转换公式为：
α=arcsin
[][]
[]⎥⎥⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡-
g
LSB
Sens
LSB
D
LSB
D
out
out
/
@式（1）
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
图4 电机驱动模块
电机驱动模块如图4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
3.2 软件设计流程
软件流程如图5所示：
图5 软件流程图
3.3总体电路设计
总体电路设计如图6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6 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
将量角器固定在支架上，以便于直接读出实际转角。
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
测量结果表明在不同的距离下都能实现精度高,最大误差为2°;响应速度快，到达设定的最长时间为3.1 s,完全达到了设计要求。
5 总结
本系统实现了题目基本部分以及发挥部分的要求。
为提高系统的稳定性，将固定帆板的支架设计成三角形，可减小因风力作用使帆板晃动的大小，将固定帆板的支架与固定电机的支架分开，可减小电机的震动对帆板的影响。
在风扇前加了一个整流风罩，可使风力平行均匀的作用在帆板上，大大提高了系统的稳定性。
经过测试，倾角传感器的测量范围为0~60°。
分辨力为0.01°，帆板能够在较短时间内达到预先设定的角度，测量的绝对误差在2°以内，远远超过题目要求。
6 参考文献
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