本系統主要由主控模塊、角度檢測模塊、電機驅動模塊、顯示模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。

方案一：采用傳統8位的51單片機作為該系統的控制核心。經典51單片機具有價格低廉，使用簡單等特點，但其存在外設I/O端口較少，運算速度低，功能單一，不穩定等缺點。

方案二：采用TI公司所生產的MSP430F5529單片機為主控制芯片，運算速度快，超低功耗，有非常豐富的片內資源，性價比高。

綜合比較以上兩個方案，選擇TI公司生產的430芯片，在低功耗方面有顯著的優勢，處理數據快，且其片內資源豐富，滿足系統設計需求。

方案一：采用模擬三軸加速度計MMA7260, MMA7260QT是檢測物件運動和方向的傳感器，它根據物件運動和方向改變輸出信號的電壓值。通過A/D轉換器讀取輸出信號，檢測其運動和方向。

方案二：采用mpu6050傳感器可準確追蹤快速與慢速動作，并且可調整感測范圍，可快速、直接將檢測信號給控制器。

控制帆板角度是個快速處理的過程，方案一還需采集電路對AD進行采集轉化為數字量，綜合考慮選擇方案二。

本設計的主要目的在于控制風機的轉速，因此電機驅動模塊是必不可少，其方案有以下兩種。

方案一：采用大功率晶體管組合電路構成驅動電路，這種方法結構簡單，成本低、易實現，但由于在驅動電路中采用了大量的晶體管相互連接，使得電路復雜、抗干擾能力差、可靠性下降，我們知道在實際的生產實踐過程中可靠性是一個非常重要的方面。因此此中方案不宜采用。

方案二：采用專用的電機驅動芯片，例如L298N、L297N等電機驅動芯片，由于它內部已經考慮到了電路的抗干擾能力，安全、可靠行，所以我們在應用時只需考慮到芯片的硬件連接、驅動能力等問題就可以了，所以此種方案的電路設計簡單、抗干擾能力強、可靠性好。設計者不需要對硬件電路設計考慮很多，可將重點放在算法實現和軟件設計中，大大的提高了工作效率。

基于上述理論分析和實際情況，電機驅動模塊選用方案二。

方案一：選用常見的數碼管顯示，成本低，只能顯示簡單的字符和數字。顯示位數較多時，輪番掃描占用CPU時間。

方案二：選用12864顯示屏做顯示。12864的顯示為128x64，顯示面積大，數字和漢字顯示容易實現，程序要求不是很高，更加方便。

方案三：用彩屏做顯示。彩屏顯示效果好，但成本高，功耗大，編程設計相對繁瑣。

由于系統顯示信息量較多，對比所述方案，選擇12864作為系統顯示器。

電源是任何系統能否運行的能量來源，本系統中電源模塊為主控制器、電機驅動、角度檢測模塊等提供電源。

方案一：通過電阻分壓的形式將整流后的電壓分別降為控制芯片和電機運行所需的電壓，此種方案原理和硬件電路連接都比較簡單，但對能量的損耗大，在實際應用系統同一般不宜采用。

方案二：通過固定芯片對整流后的電壓進行降壓、穩壓處理，此種方案可靠性、安全性高，對能源的利用率高，并且電路簡單容易實現。

根據系統的具體要求，采用方案二可調升壓降壓模塊作為系統的供電模塊。

風板運動過程中需要實時檢測角度的變化，通過計算加速度傳感器傳回的數據，可以測得風板的角度，加速度與角度存在如下關系：

加速度傳感器Z軸與自然坐標軸Z軸夾角 ；

加速度傳感器X軸與自然坐標軸X軸夾角 ；

加速度傳感器Y軸與自然坐標軸Y軸夾角 。

風速的快慢直接決定了系統風板角度的大小。通過PID調節,單片機輸出PWM波形，可對風板進行快速、準確的調整。

通過不斷調整P(比例)、I(積分)、D（微分）值，系統的穩定性得到明顯的提高，響應時間也加快了。由各個參數的控制規律可知，比例P使反應變快，微分D使反應提前，積分I使反應滯后。在一定范圍內：P、D值越大，調節的效果越好。

本系統采用增量式PID算法，PID控制主要是通過求出增量，將原先的積分環節的累積作用進行了替換，避免積分環節占用大量計算性能和存儲空間。由于增量式需要對控制量進行記憶，所以對于不帶記憶裝置的系統，只能使用位置式PID控制方式進行控制。

增量式PID控制的主要優點為：①算式中不需要累加。控制增量Δu(k)的確定僅與最近3次的采樣值有關，容易通過加權處理獲得比較好的控制效果；②計算機每次只輸出控制增量，即對應執行機構位置的變化量，故機器發生故障時影響范圍小、不會嚴重影響生產過程；③手動—自動切換時沖擊小。當控制從手動向自動切換時，可以作到無擾動切換。

系統總體框圖如圖3.1所示。

圖 3.1   系統總體框圖

MSP430F5529單片機，其最小系統包括電源電路、復位電路、時鐘電路，具體電路設計如圖3.2所示。

圖 3.2   最小系統原理圖

本系統中要實時監控風板的角度，系統采用mpu6050傳感器,通過計算可迅速得出測量的角度，從而反饋給單片機進行相應操作。

本系統采用LCD12864作為顯示，模塊電路圖如圖 3.3所示。

圖 3.3  LCD12864電路圖

電機驅動芯片L298N內部包含4通道邏輯驅動電路。是一種二相和四相電機的專用驅動器。L298可驅動2個電機，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個電動機。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉，ENA，ENB接控制使能端，控制電機的停轉。利用單片機產生PWM信號接到ENA，ENB端子，對電機的轉速進行調節。電機驅動電路如圖3.4所示。

圖 3.4   電機驅動

在電子電路及設備中，一般都需要穩定的直流電源供電。小功率的穩壓電源的組成如圖3.5所示，它由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路四部分組成。

圖 3.5 直流穩壓電路工作原理

根據設計要求，軟件部分主要實現風機轉速控制以及聲光報警與液晶顯示。

（1）風機轉速控制部分：在鍵盤按下設定風板的角度后，風板15s內處于指定位置并穩定5秒以上，上下波動不超過5度，根據傳感器測出的距離通過PID算法調整風機轉速來調整風板的位置。

（2）鍵盤設置部分：鍵盤按下后，風機作出相應轉速，風板達到指定位置。

（3）液晶顯示部分：液晶器顯示風板位置及維持時間。

系統程序主要由角度檢測部分，PID調節部分和顯示部分組成。設定需求角度，通過獲取測量角度值來反饋給單片機，單片機做出相應的PWM調節,從而達到需求的角度。同時液晶將對實時采集的角度和按鍵值信息進行顯示。

程序總體流程圖如圖3.6所示，PWM控制流程圖如圖3.7所示，12864液晶顯示電路流程圖如圖3.8所示。

圖 3.6 程序主流程圖     圖 3.7 PWM控制電路  圖 3.8 12864液晶程序流程圖

數字示波器、數字萬用表、量角器、秒表。

1. 硬件測試

對各個模塊進行測試，測試通過后使用。

2. 軟件仿真測試

對程序的錯誤和不能正確實現的部分進行調節和改正。

3. 硬件軟件聯調

對整體功能的實現進行進一步調節。

a.風板實際角度與角度傳感器角度比較

b.風板角度與pwm關系如表4.2所示

根據上述測試數據，隨著PWM的增加，風機的風速逐漸加大，可以得出以下結論：

1.風機的轉速可通過PWM調控且成正比關系。

2.風板實際角度與傳感器檢測的角度誤差2度以內，當穩定時，角度誤差小于3度波動。

綜上所述，本系統達到部分設計要求，部分要求達不到。

電賽中讓我們的能力得到提高，足以成為我們努力付出的回報。在這十多天中，遇到過很多困難，從零開始了解學習新單片機MSP430F5529,軟件編寫過程中遇到了很多困難。軟件調試時，PID參量設置成了最頭疼的問題，過大調整系統波動較大，過小調整風板很難達到預設角度，三天的參數調試一直沒能到達預設角度值，很遺憾沒能成功，以后得繼續加強學習。

理論與現實通過實踐聯系起來，我們在這次比賽中不再是局限于課本或是參考資料中的理論知識，而是把所有的實驗都按部就班的做過，并通過實驗結果對所理解的知識進行了加強鞏固，更是對原來的理解偏差進行了改正，使我們對平時所學的課程更加透徹。當然，我們自己動手焊接了很多硬件電路，用到了大量的基礎知識，把實習中學到的焊接技術用上，對以前的知識進行了一次整合。

再來，它增強了我們的溝通能力。合作精神是一個團隊成立成長的根本所在，我們組雖然只有兩個人，但隊員從第一個合作項目起就十分的團結，大家各有分工，共同討論，為我們日后的工作能力打下了基礎。這次大賽給予了我們很多，通過這次比賽大家一起交流學習，互幫互助，增強了合作意識。最后，我們衷心感謝此次主辦比賽的老師，祝愿此次大賽圓滿成功！