2011年全国大学生电子设计竞赛 F题《帆板控制系统设计报告》.doc

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1、帆板控制系统设计报告摘要：本设计以TI公司的超低功耗MCUMSP430处理器为核心，利用SCA61T高精度单轴倾角传感器的特性、外转子无刷电机强大驱动能力，形成一个闭环控制系统使帆板能更精准的转动规定的角度，并通过液晶实时显示出来。也可通过按键操控控制风力大小，来控制转动的角度。以该系统转动角度的准确性和完成任务的速度来判断该设计的完成指标。关键词：MSP430SCA61T外转子无刷电机帆板一、系统框图本次实验利用MSP430单片机接收由SCA61T倾角传感器对帆板转角进行实时检测的角度数据,控制风扇风力的大小使帆板稳定在固定的角度上,并通过液晶实现数字显示帆板角度。（本设计的硬件实物图见

2、附录一），系统总体结构框图如下：按键声光提示风扇帆板MSP430单片机传感器液晶显示二、方案论证1、风扇驱动选择：方案一：采用台式计算机散热风扇，该风扇的额定电压为5V，实验过程中发现它的风力太小，不易控制，且不足以吹动帆板转动所要求的角度。故选择放弃该方案。方案二：采用步进电机作为风扇驱动，因为每转过一个步距角的实际值与理论值存在着误差，不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。因此步进电机的转速很难精准的确定下来，因此，若选择该方案的话，对后面角度的计算将产生很大误差，故选择放弃该方案。方案三：采用外转子无刷电机作为风扇驱动，外转子无刷电机转速的可控性强，

3、从每分钟几转到每分钟几万转都可以很容易实现，而且变速平稳、转速稳定、转速的线性度好。外转子无刷电机的转动可以通过软件编程调整它的转速，而且外转子无刷电机带动风扇转动的风力大，实验过程中，发现它的风量完全足以使帆板转动题目所要求的最大角度，而且帆板转过一定角度后，稳定度也比较高。故选择采用这种方案，来完成风扇控制系统。2、帆板材料选择：方案一：采用轻质木板作为帆板，实验过程中，轻质木板只能勉强达到题目要求的60度，而且采用轻质木板，不便于装配倾角传感器。故放弃该方案。方案二：采用纸板作为帆板，虽然具有取材便利和装配SCA61T倾角传感器方便的优势，但实验过程中，发现纸板质量太轻，转过的角度很

4、难稳定住，故选择放弃该方案。方案三：采用塑料膜板，实验过程中，发现它完全能达到题目要求的最大角度60度，而且转过的角度稳定度也高，也能很好的解决如何装配SCA61T倾角传感器的问题。故选择采用该方案。3、电源控制器件选择：方案一：采用三端稳压器7805，作为电源驱动外转子无刷电机控制器件，虽然也能完成实验的各项要求。但从电路的简单化、稳定性方面考虑，故放弃该方案。方案二：采用TI公司的LM317，LM317的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。而且它的使用非常简单，仅需两个外界电阻来设置输出电压。此外，它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。因此选择LM317

5、作为本设计的电源控制器件不仅能完美的完成基本部分也能完成发挥部分，且电路简单固定，操作方便，故选择该方案。（电源稳压模块原理图见附录二）4、角度检测模块选择：方案一：采用MMA7260三轴加速度传感器，它是一种可以对物体运动过程中的加速度进行测量的电子设备，典型互动应用中加速度传感器可以用来对物体的姿势或运动方向进行监测，根据物体运动和方向改变输出信号的电压值。并且还具有低功耗、高灵敏度、设计稳定、防震能力强、成本低等等优势。但是本次设计是要精准的测试帆板所转动的角度，若选用MMA7260三轴传感器，并不能很好的完成本次实验，故放弃该方案。方案二：采用高精度单轴SCA61T倾角传感器，它具

6、有双输出接口；模拟电压输出和数字接口SPI接口。还内置了温度传感器和EEPROM存储器，用于给倾角传感器做温度补偿和存储补偿数据使用；此外它还具有自我检测/验证引脚的功能，能通过此引脚（SELFTEST）检测传感器是否正常工作。此外SCA61T倾角传感器，具有分辨率高、噪声低、稳定性好、抗冲击能力强、反应迅速等优点。故选择该方案。5、单片机最小系统MCU选择：方案一：采用80C51单片机，它是一款八位单片机，具有32个I/O引脚，2个定时、计数器，5个中断源等等优点，但对于本次设计来说，要实现全部功能，还远远不够还需要借助其他芯片的辅助，才能完成实验要求。从节约成本和电路结构简单等等方面考

7、虑，故放弃该方案。方案二：采用ATMEGAl6单片机，它是一款低功耗8位单片机，虽然它的性能比较好，并且也能完成实验要求，但他的价格比较贵，性价比不高。经综合考虑，放弃该方案。方案三：采用MSP430单片机，它是一个16位的功能强大的超低功耗微处理器，特别适合于电池应用的场合，而且其集成度高，不需要加入其他的芯片进行辅助，就能完成本次设计的各项要求，同时MSP430有丰富的不同类型器件可供选择，给我们的设计带来了很大的灵