电子设计大赛设计报告.doc

小球滚动控制系统 摘要：本系统以MSP430F169单片机作为整个系统的控制核心，采用E6A2- CWZ3C编码器作为主要测量模块来对U型导轨的角度进行精确测量；通过PID算法对电机进 行有效控制；驱动部分采用H桥电机驱动模块，实现对电机更强的驱动能力；采用4*4矩 阵键盘作为模式选择开关，以实现题目中不同部分的要求。5110液晶模块实时显示编码 器采集的各项数据，整个系统以5V和12V直流电源供电且运行良好，基本部分和发挥部分 全部达标，另外还可完成使U型导轨在+60°和- 60°位置摆动,液晶显示时间和小球摆动周期等额外功能。 关键字： MSP430F169单片机 E6A2-CWZ3C编码器 PID算法 H桥电机驱动 Abstract: this system by TI company MSP430F169 microcontroller as the control core of the whole system, the E6A2 - CWZ3C encoder as the main measurement module to swinging rod Angle and position for accurate measurement; Through the PID algorithm for effective control of the motor; Motor driving part adopts L298 driver module, realize the stronger driving ability; Using 4 * 4 matrix keyboard as mode selection switch, in order to achieve the requirements of different parts in the title. 5110 LCD module real-time display various data from the encoder, the whole system with 5 v and 12 v dc power supply and running well, basic parts and all play a part, also make the swinging rod can be completed in 160 ° position automatic recovery handstand state, liquid crystal display pendulum swing time and 15 g additional functions such as heavy interference handstand unchanged state. Key words: MSP430F169 microcontroller E6A2 - CWZ3C encoder PID algorithm L298 motor driver 1. 系统方案 1.1系统总体方案设计与结构框图 题目要求根据，本电路由MSP430F169单片机、E6A2- CWZ3C编码器、L298N电机驱动、按键、光电开关、诺基亚5110液晶屏和电源模块组成， 具体系统结构框图如图1所示。 1.2 各模块方案设计与论证 1.2.1 控制器模块 方案一：采用STC89C52单片机作为核心控制器。控制简单，但控制资源有限，集成度 比较低，没有内置的A/D转换，外接A/D模块会造成电路复杂且造价昂贵。 方案二：采用MSP430F169单片机作为核心控制器。驱动能力强、集成度高、功耗低、 结构简单、体积小巧，具有内置A/D转换等特点。 综合考虑本题目对精度的要求，我们选择方案二。 1.2.2 摆角检测模块 方案一：采用MMA7455三轴加速度传感器模块。MMA具有XYZ三方向的角度传感，体积 小巧，但实际操作时各加速度变化太快且十分不稳定，程序调试较麻烦且价格较高。 方案二：采用E6A2- CWZ3C编码器，体积小，重量轻，连线少，测量结果特别精确。 综合考虑适合本题目的要求，采用方案二。 1.2.3 电机选择 方案一：采用步进电机，其控制精确，电机力量大，但反应比较慢。 方案二：采用直流电机，控制简单，正反旋转灵活，反应速度快。 综合题目对电机反应能力的考虑，选择方案二。 1.2.4 电机驱动模块 方案一：采用大功率H桥驱动，该驱动反应迅速，易于控制，功率级效率高。 方案二：采用L298N电机驱动模块，使用该驱动电流不能太大。 考虑到系统电路尽量简单，选择方案二。 1.2.5 显示模块 方案一：采用LED点阵屏显示。LED点阵使用寿命长，价格相对便宜，远距离效果 对于这个电子设计大赛的设计报告，其核心技术点集中在以下几个方面： 1. **MSP430F169单片机**：此系统的核心是TI公司的MSP430F169微控制器，它拥有强大的驱动能力、高集成度、低功耗、简洁的结构以及内置的A/D转换功能。这使得它成为处理复杂控制任务的理想选择，能够满足系统对精度和性能的需求。 2. **E6A2-CWZ3C编码器**：作为摆角检测的主要组件，E6A2-CWZ3C编码器负责对U型导轨的角度进行精确测量。它的体积小、重量轻，连接线少，能提供高度精确的测量结果，适合作为角度检测的关键元件。 3. **PID算法**：系统利用PID（比例-积分-微分）算法对电机进行有效控制，以实现对U型导轨的精准定位和摆动控制。PID算法通过对误差的连续调整，可以确保系统的稳定性和响应速度。 4. **H桥电机驱动模块**：尽管这里选择了L298N电机驱动模块，但H桥驱动作为一个备选方案，H桥驱动具有快速响应和高效率的特点。L298N驱动模块则适用于较小电流的驱动需求，简化了系统电路的设计。 5. **4*4矩阵键盘**：用于模式选择，能够根据比赛要求切换不同的工作模式，增加了系统的灵活性。 6. **5110液晶模块**：实时显示编码器采集的数据，如角度、时间、摆动周期等，为操作者提供了直观的系统状态反馈。 7. **电源模块**：系统采用5V和12V直流电源供电，保证了设备的正常运行。 8. **额外功能**：除了满足基本要求外，系统还实现了U型导轨在±60°位置的自动恢复平衡，以及液晶显示时间和小球摆动周期等附加功能，展示了设计的创新性和实用性。 这个电子设计大赛项目展示了微控制器在精密控制领域的应用，结合了编码器、PID控制策略、电机驱动和人机交互界面等多种技术，实现了对小球滚动控制系统的高效、精确控制。通过合理的模块化设计，不仅满足了基本要求，还提升了系统的扩展性和实用性。