基于MMA7361角度傳感器的帆板控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)作為微控制器的一種，廣泛應(yīng)用于日常生活。該課程由于其綜合性和實(shí)踐性較強(qiáng)，涉及知識較多，對培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)的硬件、軟件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的能力，學(xué)生分析問題，解決問題的能力，高職學(xué)生職業(yè)技能，實(shí)踐創(chuàng)新能力有重要的作用，為從事自動控制及應(yīng)用電子產(chǎn)品的檢測、設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

該系統(tǒng)要求通過鍵盤預(yù)置角度，利用風(fēng)扇風(fēng)力大小控制帆板轉(zhuǎn)角，并實(shí)時顯示。涉及了角度檢測、電機(jī)驅(qū)動、PWM、閉環(huán)控制、AD轉(zhuǎn)換等單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)，是帆板自主航行系統(tǒng)中重要的組成部分。

1 系統(tǒng)方案描述

根據(jù)要求，本系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、人機(jī)交互模塊、風(fēng)扇控制模塊、角度檢測模塊、聲光報警模塊、系統(tǒng)電源6大模塊構(gòu)成，具體框圖如圖1所示。

1.1 微處理器模塊

采用STC公司的STC12C5A60S2單片機(jī)作為微處理器。

該單片機(jī)為增強(qiáng)型51單片機(jī)，具有高速、低功耗及超強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換器(速度達(dá)25萬次/秒)，非常符合系統(tǒng)要求。

1.2 角度檢測模塊

采用MMA7361加速度角度傳感器測量角度。加速度角度傳感器是通過測量由于重力引起的加速度計(jì)算出器件相對于某一平面的傾斜角度。角度傳感器反應(yīng)靈敏、輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且價格適中。利用加速度傳感器進(jìn)行角度測量分為3種：單軸傾角測量、雙軸傾角測量和三軸傾角測量。

本次設(shè)計(jì)中，由于只要測量帆板與豎直方向夾角，故選用單軸傾角測量。單軸傾角測量的原理如圖2所示，單個軸(即x軸)通過重力旋轉(zhuǎn)。

由于本方法近僅使用單個軸且要求重力矢量，僅當(dāng)器件具有特定方向且x軸始終具有處于中心面時，算出的傾角才能準(zhǔn)確。根據(jù)基本三角原理，x軸上的重力矢量投影會產(chǎn)生等于加速度計(jì)x軸與水平線夾角正弦值的輸出加速度。水平線通常為與重力矢量垂直的平面。在重力為理想值1 g時，輸出加速度為：

AX.OUT[g]=lgxsin(φ)

在實(shí)際使用中，查閱所用傳感器MMA7361技術(shù)手冊及利用加速度傳感器測量角度的原理，可得輸出電壓與測量角度的關(guān)系為：

其中，VOUT表示加速度傳感器的輸出電壓，VOFFSET表示重力加速度為0 g加速度傳感器的偏移量，

表示加速度傳感器的靈敏度，1 g表示地球上的重力加速度，θ表示偏轉(zhuǎn)角度。