电磁控制运动装置设计

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　　1 系统方案
　　本项目设计以MSP430 作为控制核心，通过自制电磁装置控制单摆转动，采用MMA7361 倾角传感器检测单摆摆动角度，并把相应角度的电压值通过单片机的A/D采样转换成数字信号，同时在液晶屏上显示角度，时间，周期的变化，最终把角度用相应的PID 算法转变为PWM 波，用场效应管驱动电磁铁并控制单摆的角度和时间周期。系统组成框图如图1 所示。
　　1.1 方案论证
　　1.1.1 主控部分
　　方案一：采用ATMEL 公司的AT89S52作为系统控制器的方案。该单片机价格低廉, 程序资源丰富。但是运算速度慢，没有内置乘法器，对于算法中的惩处运行周期长，很难担任复杂算法的计算工作；程序储存空间小，且在线编程调试较为麻烦。
　　方案二：采用TI 公司的MSP430 作为系统控制器的方案。该单片机性价比高，程序及内部资源丰富，学习使用简单方便，内置乘法器且运行速度快，可以实现一般的运算工作。由于内置PWM、ADC、SPI 等硬件模块，使其操作简单方便。程序存储空间大，支持在线仿真，其开发效率周期短，效率高。
　　通过以上方案比较，基于本项目设计考虑。因此选择方案二。
　　1.1.2 显示部分
　　方案一：采用传统的8 位数码管（LED）显示。软件驱动简单，硬件电路调试方便，显示清晰，但是如要完成功能电路的显示需要多个数码管，且占用I/O 口多，连接不方便，显示效果差，功耗大，显示信息量小，内容单一。
　　方案二：采用LCD12864 液晶显示。
　　LCD12864 液晶显示具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其它显示器无法比拟的优点。可以显示字母、数字及汉字等功能，观察显示很直观。显示观察清晰，显示直接明白，完全符合本系统设计功能。
　　通过将以上两种方案对比，因此选择方案二。
　　1.1.3 传感器部分
　　方案一：采用霍尼韦尔传感器。霍尼韦尔HMC5883L 是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯片，能使罗盘精度控制在1° ~2°的12 位模数转换器。HMC5883L 采用霍尼韦尔各向异性磁阻(AMR) 技术，具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点。但是响应时间慢，达不到设计要求。
　　方案二：采用倾角传感器。
　　MMA7361LC 是低功耗、低轮廓电容、微机械型加速度计，具有信号调节，一级低通滤波器具有温度补偿，自我测试，可以调节输出频率，内置零位调整，可以根据要求定制零位调整按钮，从而实现在一定的角度置零的功能。在测量相对倾角的场合时，使用完毕后可以重新回归零位。
　　通过本设计对角度的要求，因此选择方案二。
　　1.1.4 驱动部分
　　方案一：采用L298N 做驱动。L298N可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载, 采用标准逻辑电平信号控制, 具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。
　　方案二：采用N 沟道场效应管做驱动。
　　N 沟道场效应管载流子的迁移率高，频率响应较快，跨度较大；能增大导通电流，减小导通电阻，降低成本，减小面积，性能较好，可靠性较高，具有较大的驱动电流，功耗低。可直接与微处理器接口。
　　由于场效应管做驱动完全符合本系统设计功能，因此选择方案二。
　　1.1.5 单摆部分
　　方案一：用电位器做单摆摆轴。电位器是一种连续可调的电阻器，用电位器的旋转轴做摆轴，可以测出电压的变化，但电位器在转动时有一定的阻力。
　　方案二：用硬盘滚珠丝杠做单摆摆轴。
　　硬盘滚轴灵敏度高，响应速度快，摆角幅度较大，较好地符合题目要求。
　　方案三：用钉子做单摆摆轴。钉子虽然相对简单，但是响应速度慢，需要功耗大。
　　由于硬盘滚珠丝杆比较符合本系统设计功能，因此选择方案二。
　　1.1.6 按键部分
　　方案一：采用矩阵键盘。矩阵键盘又称行列式键盘，它是用4 条I/O 口线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键，这样键盘中按键的的个数是4*4 个，这种行列式键盘结构有效地提高了单片机系统中I/O 口的利用率。
　　方案二: 采用独立式中断按键。由于在我们的项目设计中用的按键较少，而且使用独立中断按键，可以节约资源和不占用系统资源。
　　由于在我们的项目设计中用的按键较少，而且使用独立按键，可以节约资源。通过比较，因此选择方案二。　　2 状态与建模分析
　　本项目设计利用三轴角度传感器测量单摆摆动的角度。但由于MMA7361 角度传感器在测量角度时测出的是电压值，所以我们通过单片机内部自带AD 采样，将MMA7361 传感器测量到的电压值传输给单片机，然后通过单片机内部功能将测量到的电压值转换为相应角度在液晶上显示出来。如图2 所示。

　　3 电路与程序设计
　　3.1 单片机电路设计
　　在项目设计中，采用的是TI 公司的MSP430 系列的芯片做主控制器，利用PWM 占空比和时间周期控制电磁铁强度，由于MSP430 内部自带定时器、中断、PWM、ADC、SPI 等硬件模块，所以符合我们的要求。
　　3.2 电源电路设计
　　在项目设计中，因为要给单片机最小系统、场效应管驱动电路、液晶显示屏、电磁装置等提供5V、3.3V、12V 的电压，所以设计的电源模块由LM2576HV-12、7805、AMS1117 组成的电源。在电源的输出两端分别接了不同容量的电容，起到了滤波的作用，使输出的电压更加平滑、稳定。
　　3.3 驱动电路设计
　　在项目设计中主要采用场效应管为核心，并用光耦芯片进行隔离，基于PWM 控制原理，设计电磁铁驱动控制电路，该驱动控制电路具有结构简单、能力强等特点，可实现大功率电流驱动控制。
　　3.4 液晶电路设计
　　在项目设计中液晶主要用来显示各种功能的操作提示信息，方便用户进行相应的操作。当开始按键按下时，执行对应的程序，液晶会显示其操作功能。
　　3.5 蜂鸣器电路设计
　　在项目设计中应用了声光提示电路。
　　该电路是用到了三极管、电阻、发光二极管，三极管在电路中是起功放作用，因为蜂鸣器响需要比较大的电流，三极管可以对电流进行功率放大。
　　3.6 系统软件设计
　　系统的软件设计采用c 语言编程，在MSP430 仿真软件IAR 上完成了单片机系统的开发，实现了各项设计功能和指标要求。程序流程图如图3 所示。
　　4 系统测试
　　为了确定系统与题目要求的符合程度，我们对系统中的关键部分进行了实际的测试。
　　4.1 测试仪器
　　测试使用的仪器设备如表4.1 所示。
　　4.2 指标测试
　　4.2.1 基本要求测试结果分析如下：
　　4.2.1 基本要求测试结果分析如下：
　　4.3 测试功能实现
　　本系统实现了以下功能：一是在静止状态下，按下按键，摆杆在相应指定的角度和周期里面连续摆动，摆动误差在允许范内；二是在连续摆动的状态下，按下按键，摆杆在允许时间内平稳地停在静止点上；三是在基本要求下摆角幅度与周期的步进值为5°和0.5S 情况下，摆角达到基本要求，并当摆杆稳定后在允许范围内进行声光提示及平稳停在静止点；四是在摆杆摆动时，液晶上可以实现周期变化、时间计时等功能。
　　【参考文献】
　　[1] 王俊峰 现代传感器应用技术[M].北京: 机械工业出版社,2006.8
　　[2] 秦龙.MSP430 单片机常用模块与综合系统实例精讲[M]. 北京: 电子工业出版社,2007.7
　　[3] 黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛训练教程[M]. 北京: 电子工业出版社,2005.1
　　
　　

李小路

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