2013年电子设计大赛论文.docx

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1、1 .系统方案1.1 系统设计与结构框图1.2 方案论证电源模块：12v和5V的开关稳压电源! M2LM7II2TLJJI电磁铁选择方案一：采用0.5mm的漆包线，铁芯的直径一厘米，绕成后直径不超过2cm （需要7个）。方案二：采用DC12V直径2cm吸盘式电磁铁（需要7个圆弧形排列） 自制电磁铁的规格不好控制，计算的理论值与实际值误差太多。例如：不能保 证每个电磁铁提供过磁力相同，给单片机控制摆角带来很大的麻烦；7个相同 的吸盘式电磁铁规格比较符合利于单片机控制可以大大的提高精确度故选择方 案二。摆杆与底盘选择：摆杆选择粗细均匀的木棒，木棒的质量要轻，在摆杆的末端固定永磁磁铁；底盘设计为弧形

2、（直径为 15.5cm的圆弧）并在弧内装有均匀 分布的电磁铁;利用同极性相斥原理给电磁铁加电推动摆杆运动。角度检测模块方案一：采用Angtron-RE2j-V旋转编码器作为系统中的角度传感器，该角度传感器灵敏度高、测量误差小、使用环境范围广、输出为数字信号不需A/D转换，但该型传感器价格较高、且易损坏；方案二：线性角度电位器传感器“ SAKAE ”测量偏差5%阻值100-501K功 率2W,该款传感器测量偏差大、功耗大、并且相对运动产生摩擦影响帆板转动 对系统精度产生极大影响；方案三：采用ScA60CN1000060角度传感器，该款传感器构造简单，外围 电路极简测量原理是内置绝缘介质随芯片额角

3、变化而与上下极板距离改变的电 容，该变化引起电容上电压的变化，该电压信号经内部放大器放大输出，输出的电压值与角度的关系式为：sine=(2 0- v), 2,该款传感器具有功耗低、测量灵 敏度高的特点，是首选器件采用方案三。显示模块Nokia5110 LCD显示屏速度快，清晰，能及时反映显示摆杆的角度值和周期 等键盘模块通过键盘扫描程序来判断我们需要摆杆的角度使键盘能调节我们的摆杆在10。-45。之间摇摆1.3 实现方法通电后利用角度传感器的反馈信息，传给处理器来控制多个时间继电器的导通时间来控制吸盘式电磁铁的通断实现电磁运动装置的细分驱动系统。1 .系统理论分析2 . 1微处理器的选择本设计

4、选用了 TI公司所生产的MSP系列单片MSP430F149目的是应用其丰富的接口资源和强大的定时器功能，MSP430F149的性能特点如下：6个八位并行接口；完全可以实现该系统所有信号的输入、输出，无 须硬件扩展，其中P1、P2八位并行端口的每根口线都具有中断功能， 使键盘的软、硬件设计变的非常简单。12位A/D转换器ADC ;完成模拟设定功能。强大的定时器功能；TIMER-A3、TIMER-B7分别为带有3个和7个 捕捉/比较寄存器的16位定时器，可以满足系统速度的设定及曲线定时 的要求。液晶驱动模块；内置2KB RAM、60KB的FLASH ; MSP430F149所提供的丰富资源，外围硬

5、件扩展只需做很少的工作， 不仅设计变得非常简单，而且该 控制器体积小、可靠性高。光电传感器光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮 挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射 出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。漫反射型光电开关是当开关发射光束时，目标产生漫反射，发射器和接收器构成单个的标准部 件，当电开关有足够的组合光返回接收器时，开关状态发生变化。特征：有效作 用距离是由目标的反射能力决定，由目标表面性质和和颜色决定；较小的装配开 支，当开

6、关由单个元件组成时，通常是可以达到粗定位；采用背景抑制功能调节 测量距离；对目标上的灰尘敏感和对目标变化了的反射性能敏感。角度测量与分析角度的测量我们是定义摆杆竖直角度传感器为 0度，故摆杆绕轴旋转的角度度就等于角度传感器的倾斜角，从而监视的8角：建度测量采用N1000060型角度传感器，它有非常好的线性度，和非常高的精准度，当其 在水平的位置时，输出电压为基准电压 2 .5V,每沿所能识别的角度的方向移动 个角度时就会产生个与Z对应的电压值，并成线性关系。采用 VSP430F149单片机 的内置12位ADCE角度传感器采集的每个电压值都对应这个角度值并在LCD12864上做相应的显示：0 =

7、arcsin(2.5- v)/2 .要注意的是，调用math.h中的arcsin 函数进行计算时，得出是弧度，还应转换为角度，角度与弧度之间的关系为：角度 = 弧度*180/ 兀，即 9 =arc (Sin(2.5- v)/2)*180/兀2 .电路与程序设计3.1.1 电磁铁驱动电路设计第一种：用达林顿管驱动电磁铁，遇到的问题是驱动电压和驱动电流达不到 工作要求第二种：用L298内部为双H桥，及控制电路，没有环形脉冲分配电路，所 以不能直接驱动步进电机，可配合 L297使用，也可配合其它环形 脉冲分配电路，或单片机使用；但电路较复杂，I/O 口占用较多。第三种：用继电器驱动工作电流小，方法简

8、单，响应快；能弥补上述不足之 处故选择第三种。3.1.2 角度传感器电路设计SCA60C-N100006O俞出电压和角度的关系式：a=asin(0.5V_out-0.25Vdd);VddVoutGN 口-Q3.1.3 A/D转换电路设计.3 果梯保持SARADC12MEMADCI2MEM15ADC13CILADC1JCTL13MSP430F149内部集成12位ADC ,能够直接进行A/D转挽，在内部程序进行 时进行相应的误差处理，即进行多次采样.然后去掉最大值最小值 Z后再求平 均值能够提高A/D转换的稳定性与精度。3.2软件设计3.2.1 程序功能描述与设计电路MSP4308列单片机是美国德

9、州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16 位超低功耗的混合处理器(Mixed Signal Processor)。由于它具有极低的功耗、 丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新 星。对于MSP43原列而言，由于引进了 FLASH程序存储器和JTAG支术，不仅 使开发工具变得简便，而且价格也相对低廉，并且还可以实现在线编程。3.2.2 程序流程图11主函数开始中断服务函数清标志读取AD值扫描按键驱动电磁铁4.测试方案与测试结果4.1 测试方案4.1.1 硬件调试硬件调试出现的问题有摆针的位置不正和传感器的位置要反复试验才能确定其位置，还有容易出错的地方就是连

10、接线容易接错，排查完各硬件设施后，按下键盘输入一个角度经单片机处理信号产生输出信号使继电器驱动电磁铁工作产生斥力从而使摆杆按预定周期摆动电磁铁的摆放位置需要摆在合适的位置确保能够及时为摆杆补充动力减小实验的误差测试的手动摆杆旋转角度的方法读取固定在作品上量角器指针的值与角度传感器采集的值作比较在实验中误差没超过 2度在实际测试时，为了得到更好的 数据分析，每一度都做了反复的测量；一些非人为因素的影响可能会导致测量数 据会有误差。例如：比赛场地和作品在运输过程中的颠簸等等原因。4.1.2 软件调试在硬件连接无误的情况下要反复调整修改各参数，利用IAR软件编程控制延时中 断函数的延时时间，分别控制

11、继电器的通断时间和连续间隔从而控制电磁铁对摆 杆的作用力，在这个过程中存在问题是不能准确的计算延时时间只有不断的尝试 才能使结果更准确4.2 测试条件与仪器1.60MHz双通道数字示波器100MHz2 .双通道数字示波器低频信号发生器（1Hz1MHZ3 .标准高频信号发生器（1MHz100MHz可输出1mV小信号）4 .函数发生器（10 MHz, DDS5 .低频毫伏表高频毫伏表100 MHz频率计6 .数字式单相电参数测量仪7 .秒表8 .量角器9 .五位半数字万用表10 .单片机开发系统11 3测试结果及结论采用细分控制方法能够较准确的控制角度的变化，电路简单，成本低，但存在一点无法克服的

12、东西那就是磁化，如果通电时间过长的话，电磁铁会磁化，断电在一段时间后才能基本 消磁。还有就是我们这个设计要求制作者的工艺要精湛，对角度和位置的要求比较高，调试好之后硬件的位置如果有一点变化结果就会不一样，这个是无法避免的，但我们只能在最大程度的减小它的误差来实现我们的控制的基本要求。ii附录:电磁铁作品示意图J20作品实物图程序：#include#include舵机.htypedef unsigned char uchar;typedef unsigned int uint;#define keyin (P2IN & 0x1F)#define Num_of_Results32char shuz

13、i口 = 0123456789.”;char Data5=0,0,0,0;static int resultsNum_of_Results;uint s_up = 0;uint g_up = 0;uchar temp = 0;uint angle=0;uint sum=0;uint flag=0;void Trans_val(int Hex_Val);/*函数名：adc_Init()函数功能：外部高速晶振设定*/void adc_Init(void)P6SEL |= 0x01;ADC12CTL0 = ADC12ON+SHT0_8+MSC;道循环ADC12CTL1 = SHP+CONSEQ_2;

14、ADC12IE = 0x01;ADC12CTL0 |= ENC;ADC12MCTL0|=SREF_5;LCD_write_english_string(0,4,VOLAT IS:);void stop(void)保存ADC转换结果的数组/使能ADC通道/打开ADC ,设置采样时间，单通/使用采样定时器/使能ADC中断/使能转换/选择外部参考电压/*函数名：keyScan()函数功能：外部高速晶振设定*/void keyScan(void) uint m=12000;if(keyin != 0x1f)如果有键被按下/ delay();延时消抖while(m-);if(keyin != 0x1f)

15、再次检测按键状态temp=keyin;while(keyin != 0x1f);等待按键被放开switch(temp)转换键值case 0x1e:s_up=s_up+1;break;case 0x1d:s_up=s_up-1;break;case 0x1b:g_up=g_up+1；break；case 0x17:g_up=g_up-1;break;case 0x0f:stop();break;default:s_up=s_up ;break; /*函数名：XT2_Init()函数功能：外部高速晶振设定*/ void XT2_Init(void)unsigned char i;BCSCTL1 &

16、= (XT2OFF);doIFG1 &= (OFIFG);for(i=0; i 0;t-);*/ void main( void ) WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;P6DIR |= BIT2;P6OUT |= BIT2;关闭电平转换sys_init();系统初始化_EINT();LCD_write_english_string(0,0,present angle); LCD_write_chinese_string(0,1,12,4,0,0);/ADC12CTL0 |= ADC12SC;while(1)/ Set_Angle_1(5000);/ Process，)/* 函数

17、名称：ADC12ISR当前角度/开始转换参返回值能：ADC中断服务函数，在这里用多次平均的 计算P6.0 口的模拟电压数值数：无:无*/#pragma vector=ADC_VECTOR_interrupt void ADC12ISR (void)static int index = 0;resultsindex+ = ADC12MEM0;if(index = Num_of_Results)char i;unsigned long sum = 0;index = 0;for(i = 0; i = 5;keyScan();Trans_val(sum);/ Move results除以32，*10

18、进制/caltmp = Hex_Val * 33/caltmp = caltmp * 10Curr_Volt = caltmp / 2An /Hex-Dec 变换函数名称：Trans_val功能：将16进制ADC转换数据变换成三位真实的模拟电压数据，并在液晶上显示参数：Hex_Val-16 进制数据n-变换时的分母等于2的n次方返回值：无*/void Trans_val(int Hex_Val) unsigned long caltmp;int Curr_Volt;char t1,i;char ptr4;caltmp = Hex_Val;caltmp = (caltmp 5) + Hex_Val;caltmp = (caltmp 3) + (caltmp 12;ptr0 = Curr_Volt / 100;t1 = Curr_Volt - (ptr0 *100);ptr2 = t1 / 10;ptr3 = t1 - (ptr2 *10);ptr1 = 10;LCD_write_english_string(0,1,VOLAT IS:);/shuzi表中第10位对应符号.for(i=0;i=sum)switch(flag)case 0:flag=1;P3OUT=0X02;break;case 1:flag=0;P3OUT=0X01;break;19