摘 要
设计了一个简易风力摆控制装置，由直流风机组，陀螺仪，直流减速电机以及激光笔等组成。以MSP430F149单片机为核心，用PWM波控制控制电机转速，调节风力大小，并以四个风机上下与左右同面两两并在一起对碳素管及激光笔进行工作，使细杆及激光笔在风机的作用下可进行自由摆动且进一步可控摆动在地上划线，具有很好的重复性，并且可以设定摆动方向且画短线，已经能够在将风力摆拉起一定角度放开后可以在规定时间内达到平衡。
关键词：风力控制摆、陀螺仪、轴流风机、PWM调速、MSP430单片机
风力摆控制系统（B题）
1方案设计与选择
设计内容
要求一个下端悬挂有(2~4只)直流风机的细管上端固定在结构支架上，只由风机提供动力，构成一个风力摆，风力摆上安装一个向下的激光笔。通过单片机代码指令控制驱动风机使风力摆按照一定的规律运动，并使激光笔在地面画出要求的轨迹，风力摆结构图如图1所示。
图1风力摆结构图
设计要求 基本要求
(1)从静止开始，15s 内控制风力摆做类似自由摆运动，使激光笔稳定地在地面画出一条长度不短于50cm 的直线段，其线性度偏差不大于±，并且具有较好的重复性；
(2)从静止开始，15s 内完成幅度可控的摆动，画出长度在30~60cm 间可设置，长度偏差不大于± 的直线段，并且具有较好的重复性；
(3)可设定摆动方向，风力摆从静止开始，15s 内按照设置的方向（角度）摆动，画出不短于20cm 的直线段；
(4)将风力摆拉起一定角度(30~45°)放开，5s 内使风力摆制动达到静止状态。 发挥部分
(1)以风力摆静止时激光笔的光点为圆心，驱动风力摆用激光笔在地面画圆，30s 内需重复3 次；圆半径可在15~35cm 范围内设置，激光笔画出的轨迹应落在指定半径
± 的圆环内；
(2)在发挥部分(1)后继续作圆周运动，在距离风力摆1~2m 距离内用一台50~60W 台扇在水平方向吹向风力摆，台扇吹5s 后停止，风力摆能够在5s 内恢复发挥部分(1)规定的圆周运动，激光笔画出符合要求的轨迹；
(3)其他。
2总体方案设计与选择
单片机选择
方案一：采用STC89S51芯片，该款芯片具有高性能低功耗的特点，具有32位输入/输出，可以实现处理、存储等功能，但是其灵活性不高，需实时保护软件现场，否则易丢失信息，存储能力较弱。
方案二：采用MSP430F149芯片，该款芯片具有高性能，低功耗的特点，其抗干扰能力比较强，存储空间较大，稳定性较强。
二者比较之下，选择方案二作为此次设计的核心控制部分。 直流风机选择
方案一：采用12V 的轴流风机，风力很大，可以将自身轻松吹起，但是体积较大，质量较重。
方案二：采用12V 的小风机，体积小，质量轻。但是风力足够大，单电机产生的风力可吹起4个相同电机。
综合考虑，选择方案二中的的小风机[2]。 驱动电路选择
方案一：采用LM298N全桥驱动芯片，单块芯片可输出四通道PWM波，控制四路风机，但输出电流过低，难以达到风机额定功率。
方案二：采用BTN7971B半桥芯片，驱动电流大，工作频率高，足以满足多个风机同时工作的要求。
综合考虑，选择方案二的芯片。 风力摆控制端设计
风力摆控制端装置如图2所示。
图2风力摆控制端装置
[1]
方案框图
方案框图如图3所示。
图3总体方案流程图
3模块电路的设计和计算
核心控制单元
在本设计中我们采用单片机MSP430F149模块为核心控制单元。来进行外部电路的控制。从而实现各种功能，达到实验要求。最小系统如图4所示。
图4 MSP430最小系统
转压模块
风机12V供电，单片机5V供电，所以需要转压模块[3]来转换，12V转5V电路如图5所示。
图5转压模块
转压电路中的LED1灯是一个指示灯，二极管是用来保护电路，利用二极管的单向导通性，防止电流逆流。 传感器模块
风力摆在摆动过程中可能会出现晃动，因此在这里我们用三向加速度传感器MMA7361模块。它根据物体运动和方向改变输出信号的电压值。用单片机自带A/D转换器读取x、y、z三向的输出结果，再根据三向加速计进行角度测量原理，即可计算出运动物体与x、y、z三向的夹角。经过试验，采用加速度传感器可有效测量所需角度，且精度及响应时间均较好。
以下为三向加速计MMA7361进行角度测量原理：MMA7455三向加速度传感器，根据物件运动即方向改变输出信号的大小。主控芯片MSP430F149读取X、Y、Z三路电压信
222号并进行A/D转换。X、Y、Z轴的加速度分量Ax、Ay、Az满足AX?AY?AZ?1。
三角倾角测量如图6所示。
图6三角倾角测量
按键电路
为了完成不同的规定摆动，所以需要用按键来实现。按键电路我们采用拨码开关控制，按键电路如图7所示。
图7按键电路
驱动模块
本设计采用BTN7971芯片进行风机的驱动，可直接对风机机进行控制，不需隔离电路，它通过改变控制端的电平来对风机进行启停、正反转操作，非常方便，亦能满足直流轴流风机全速运动时的超大电流要求[2]。
驱动电路如图8所示。
图8风机驱动电路
4系统软件设计
系统软件设计如图9所示。
图9系统软件流程图
本系统我简易风力摆装置，其本质就是利用陀螺仪检测角度信息，反馈给单片机后作出相应的指令，对系统作出调整，达到所需的要求，使风机工作，风力摆摆出相应角度并能持续运动并在规定时间内停止。
5测试及调试结果
测试设备
兆信RXN-305D开关电源（12V 3A），量角器，直尺，钢卷尺，Txktronix TDS2022示波器。 测试结果
(1) 基本要求测试
基础部分测试如表1所示。
表1基础部分测试表
测试项目 自由摆动，画50cm直线段 要求 线性度偏差≤ 测试数据分析 12s能实现自由摆动，并能画48cm直线段 13s能实现来回摆动，设置值为40cm，实际值为42cm 10s晚上设置方向摆动，线长 测试结果 完成 基 础 部 分 可控摆动，画30~60cm直线段 按照设置方向摆动，画直线 拉起一定角度放开，规定时间内停止摆动 线性度偏差≤ 基本完成 ≥20cm 基本完成 ≤5s 4s内可使风力摆停下 基本完成
(2) 发挥部分测试
发挥部分如表2所示。
表 2发挥部分测试表
测试项目 要求 30s内重复三次，半径差为± 测试数据分析 测试结果 激光笔画圆心 发 挥 部 分 在外部加台扇吹风力摆，台扇吹5s后停下，风力摆能够在短时间内停止 结果分析
25s能够实现画出25cm的圆基本完成 周，并可重复三次 时间为5s以内 不能使风力摆停下 尚未完成 测试结果是基于多次测试后得到的数据，经过多次测试后，基本完成所有任务。有些目标尚未完全完成，测试环境对测试结果也有一定的影响，同时由于摆杆状态的不同得到结果也不同。总而言之，本次测试结果据实可靠。
6项目总结
本系统以单片机为核心部分，根据陀螺仪采集的信号，经计算到处的数据来控制直流电机转动，从而达到系统的基本要求，在本系统设计过程中我们力求简洁但能充分发挥硬件电路和软件编程的特点，来满足系统设计的要求，因为时间有限，系统各部分做的相对粗糙，算法和电路都能够做进一步优化，以求更好地实现其功能。
在这段实验过程中，所面临的困难一个接着一个，都需要我们自己运用平时所学知识及便利的网络条件，在实践中想办法动手解决，经过这次比赛，我们体会到了团队合作的意义，每位队员都得到了很好的锻炼，学到了很多东西。
参考文献
1． 罗石，商高高．电控助力转向系统电机驱动电路设计方案的研究[J]．江苏大学学报(自
然科学版)，2004，25(6)：488-491．
2． 穆莉莉，郑小刚．散热风机自适应控制系统的设计[J]．新技术新工艺，2000，(10)：
6-8．
3． 和军平，冯巨标，李远航，等．DC/DC开关电源对低压差分信号线干扰模型研究[J]．电
机与控制学报，2014，18(9)：17-22．
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