基于单片机控制的角度调整系统设计

【摘要】本系统采用单片机和PWM调速系统作为控制和处理核心，由L298N芯片驱动电机、角度传感器、风扇、4*4矩阵键盘及LCD128*64液晶显示屏构成的一个帆板控制系统。由角度传感器测得角度并反馈给单片机风扇转速控制模块构成风速闭环控制系统，利用单片机产生的PWM控制风扇电机驱动模块，从而实现角度的精准控制。
　　【关键词】单片机；电机驱动；角度传感器；PWM
　　一、整体系统方案
　　1.系统总体设计方案
　　本系统主要由角度测量模块、电机驱动模块、声光模块、液晶显示模块以及键盘模块组成。系统方框图如1-1所示。
　　2.显示模块选择方案
　　选择LCD12864液晶。功耗低且字型美观、显示信息量大，灵活多变显示多种信息资源。节约单片机资源，提供良好的人机界面，方便使用者操作本系统。
　　3.主控制选择方案
　　采用MSP430F149单片机作为主控制器。MSP430F149单片机具有如下特点：1）功耗低；2）高效16位RISC-CPU；3）低电压供电、宽工作电压范围：1.8-3.6V；4）灵活的时钟系统：两个外部时钟和一个内部时钟；5）具有串行在线编程能力；6）强大的中断功能；7）唤醒时间短，从低功耗模式下唤醒仅需6μs。
　　4.电机驱动电路选择方案
　　采用L298.驱动电路。L298驱动电路可以根据MSP430F149单片机输出的PWM调节电机转速，且任意改变电机转动的方向，同时在电压承受的最大范围可达50V工作电压。
　　5.角度传感器选择方案
　　采用360°高精密电位器。360°高精度电位器通过测量电压数值，反馈到单片机中进行处理转换成倾斜的角度，然后将其显示。且价格便宜，控制简单，线性度比较好。
　　6.风扇选择方案
　　采用直流风扇。小型直流风扇的风速很小，风力不集中，但启动功率不需要很大，在风速的调节上，也可用单片机输出的PWM来控制电机的转速，很容易的控制风速的调节。
　　二、模块电路设计
　　1.电机驱动电路
　　电机驱动电路是控制电机转速，利用单片机输出的PWM来调节电机的转速，通过电机的转速来改变风扇的风速，电机驱动电路的原理图如图2-1所示。
　　风速显示数值0-100，计算公式（2-2-1）所示。
　　（2-2-1）
　　2.稳压电路模块
　　通过这个稳压电路稳定整个电路的电压，如图2-2所示。
　　3.角度检测原理
　　采用高精度电位器进行分压得到AD采样信号，通过单片机的AD功能引脚采集信号，将得到的值进行计算，转换成电位器旋转的角度，即帆板转动的角度。角度计算公式如（2-2-2）所示。
　　（2-2-2）
　　角度检测主要是通过电位器分压得到一个变化的AD采样信号。电压计算公式如公式（2-2-3）所示。
　　（AD采样信号） （2-2-3）
　　电位器分压原理图如图2-3所示。
　　4.主控制电路
　　在系统中使用单片机MSP430F149作为主控制芯片，当键盘键入一定的角度时，单片机MSP430F149输出PWM调节电机的转速，使帆板倾斜到键盘输入的角度，此时MSP430F149单片机采集角度倾斜信号，发送到液晶显示中。
　　5.声光模块
　　采用三极管驱动蜂鸣器发出声音和发光二极管发光显示，当帆板角度到达预设的角度范围，此时由蜂鸣器及发光二极管发出警报信号，提示达到预定要求。声光电路原理图如图2-4所示。
　　6.显示、按键模块
　　采用LCD12864液晶屏作为显示器，实时显示功能界面以及参数；按键采用中断式，进行功能的选择和参数的设置；能实时快速显示帆板倾斜角度，便于我们观察与调试。液晶和按键接口电路如图2-5所示。
　　三、软件设计
　　1.程序流程图（如图3-1）
　　2.功能模块（如图3-2）
　　四、结语
　　在整个设计制作过程中，始终关注系统的性能指标和运行的稳定性，本着稳定性和精确性并重的原则，采取了诸多的有效措施，基本完成了设计题目所规定的指标和要求，而且对于有些指标进行了扩展设计，功能提高。同时考虑到性价比和人机互动，简化电路，改善显示界面，优化整机构造，提出了更人性化的设计。
　　参考文献
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