电磁控制运动装置电路设计

[摘要]本设计以MSP430F149单片机作为主控芯片，采用ADXL345数字加速度传感器作为电磁控制运动装置倾斜角度测量模块，由L298N直流电机驱动模块控制电磁铁实现运动装置的启动、按固定幅度摆动、按固定周期摆动、停止等功能，采用PID控制算法和PWM波调制技术，通过硬件设计和软件编程，实现了电磁控制运动装置的闭环调节系统，从而提高了整个系统的稳定性和响应速度。最后通过液晶屏LCD12864实现频率和摆角等信息的实时显示，并利用SYN6288语音播报模块和发光二极管实现声光提示。本设计能实现由静止点开始，控制摆杆摆动。

[关键词]MSP430F149单片机；角度传感器；语音播报；LCD12864液晶显示

一、模块论证

1、控制模块的论证与选择

此方案采用MSP430系列的MSP430F149单片机，它是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，MSP430F149单片机具有体积小，功耗低，易于产品化，面向控制，抗干扰能力强等优点，非常适合C语言开发人员，特别是有9路PWM输出，便于电机和电磁控制装置的精确控制。适合本系统。

2、角度传感器的论证与选择

ADXL345角度传感器。ADXL345是一款小而薄的超低功耗3 轴加速度计，分辨率高（13位），测量范围达±16g。ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率（3.9mg/LSB），能够测量不到1.0°的倾斜角度变化。完全可以达到本系统的要求。

3、电磁控制装置的方案与论证

采用带磁芯的电感线圈，利用改变电流方向来改变线圈磁极变化来牵引磁铁。电感线圈的磁极变化频率和摆杆的摆动频率成正比，磁场强度与摆杆的摆动幅度呈正比，这样，改变电感线圈的电流大小和方向，便可以实现摆杆的幅度和频率的准确调节，且系统容易实现，控制简单。

4、语音播报模块的论证与选择

SYN6288系列语音芯片。硬件接口简单，性价比极高，语音合成效果和智能识别效果大幅度提高，清晰、自然、准确的中文语音合成效果；可合成任意的中文文本，支持英文字母的合成，具有智能的文本分析处理算法，可正确识别数值、号码、时间日期及常用的度量衡符号，支持多种文本控制标记，支持休眠功能，在休眠状态下可降低功耗；支持多种方式查询芯片工作状态，支持串行数据通讯接口。

二、电路设计

1、单片机最小系统

本设计本设计利用MSP430F149单片机为控制核心，以独立键盘做为输入，通过从角度传感器模块采集的运动摆杆倾斜角度，经过PID 控制算法和PWM波调制，通过控制L298驱动模块来控制电磁圈的磁性。为了达到精确运动摆杆摆角的目的，设计中采用PWM技术和PID 控制技术。

2、电机驱动模块电路

此文采用L298N芯片对电机进行驱动，用MSP430单片机的端口作为控制信号的输出端，通过输出脉冲信号控制电机的驱动。

3、角度传感器模块电路

此设计采用采用ADXL345角度传感器模块，用MSP430单片机经过PID控制算法控制角度传感器，进行运动摆杆的角度精度调节。

三、系统调试

本系统采用自下而上的调试方法，对单独调试好的每一个模块进行调用，然后连接成一个完整的系统调试。通过对角度传感器的数据进行读取，获取摆杆的运动参数，对数据分析后通过PID产生设置量和当前量的偏差，生成对应的调教量，即PWM的占空比，调节驱动模块的输出电压，从而改变电磁圈线圈的磁性强度，实现幅度调整。通过对MSP430F149的定时器B进行定时，分时的控制电磁线圈的磁场方向变化，从而实现摆杆的频率变化。

四、结论

本装置能够实现以下功能：按下启动按钮，由静止点开始，控制摆杆摆动；由静止点开始，控制摆杆在指定的摆角，并且能在0～45度间连续摆动，摆动误差下，响应时间短；在摆杆连续摆动的情况下，按下停止按钮，控制摆杆平稳地停在静止点上。本设计可以很好的利用MSP430F149单片机、ADXL345数字加速度传感器、L298N直流电机驱动模块液晶屏以及LCD12864SYN6288语音播报模块的各项功能，能实现摆动控制，但是在系统的平稳性以及创新性还有待加强。

参考文献

[1]沈建华.MSP430系列16位超低功耗单片机原理.北京航空航天大学出版社.

[2]王东锋编.单片机C语言应用一百例.电子工业出版社.

[3]杨子文.单片机原理及应用.西安电子科技大学出版社.

[4]徐建俊.电机与电气控制项目教程.机械工业出版社.