基于MSP430单片机的智能风力检测与发电控制系统.docx

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基于MSP430单片机的智能风力检测与发电控制系统

2011-2012德州仪器C2000及MCU创新设计大赛

项目报告

题目：

基于MSP430单片机的智能风力检测与发电控制系统

学校：

哈尔滨工程大学

组别：

本科组

应用类别：

控制系统类

平台：

MSP430F1611

题目：

基于MSP430单片机的智能风力检测与发电控制系统

摘要（中英文）

当前的不可再生资源有限，因此对清洁安全的绿色新能源开发已迫在眉睫，风力发电有造价低廉，不分昼夜的优势，得到了广泛的运用。

但目前大部分风力发电靠自然风力推动尾翼或人工控制风轮至最大风向，效率低、效果差。

鉴于此需求，实现了一套智能风力发电自动控制系统。

Withthedevelopmentofsocietyandthedecreaseoftheirreproducibleresources，Itisnecessarytoexploitnew,cleanandgreenresources.Windpowergenerationhastheadvantagesoflowcostandtimelessness,andhasbeenusedgenerally.Whereasinmanywindpowergenerationsituations,windwheeliscontrolledtothemaximalwinddirectionbynaturewinddrivingempennageormanualcontrol,whoseefficiencylowandeffectbad.Accordingtotheurgentdemand,anintelligentwindpowergenerationauto-controlsystemhasbeendesignedanddeveloped.

1引言

1.1研究的背景及意义

当前的不可再生资源有限，因此对清洁安全的绿色新能源开发已迫在眉睫，风能和太阳能成为目前新能源开发的最佳选择。

相比于太阳能发电容易受日照影响而影响发电效率且难以广泛应用的不足，风力发电有造价低廉，不分昼夜的优势。

在我国的沿海地区及部分高原地区，风力发电已经得到了广泛的运用，风力发电成为当地居民的主要电力来源。

1.2风力发电控制系统的现状

经考察，目前绝大部分小型风力发电机靠自然风力推动尾翼或者人工控制风轮至最大风能方向，而大型的风力发电机对风轮的调整通常比较困难，往往需要人为的对其风轮进行调整，才能达到最大的发电效率。

前者方法虽然简单，但是该方法对风速的响应过快，旋转过于频繁，对于力矩较小的风力发电机可能影响不是特别的大，但是在力矩较大的大型发电机上若采用此方法，机械结构会很容易造成严重的磨损，故而大大降低了风力发电机的使用寿命，也大大增加了发电机的维护费用，甚至对发电机会造成严重的安全隐患；而人工控制方式效率较低。

鉴于对当前大型风力发电机风轮方向调整上的技术难点，本参赛项目尝试设计一套专门应用于大型风力发电机风轮方向调节及风速检测的智能风力发电自动控制系统，以期最大限度的改善上述问题。

1.3本智能风力检测与发电控制系统概述

本系统基于TI公司MSP430单片机对智能风力检测与发电系统的设计与实现进行了研究。

系统主要功能阐述如下：

可主动检测最大风速方向，及时调整风轮到最佳发电位置，实现风能的最大化利用；提供当前风速显示，在风速超过预设值时提供警报，以防止风速过大对发电机造成损坏；提供手动与自动调整控制方式的切换，在维修或出现紧急情况时可以人为的对风轮进行调整；该系统还能够记录存储该区域较长时间范围内的风力、风向、温度等气象信息供分析研究，从而形成高效发电控制与气象信息监测为一体的多功能系统。

此系统设计方案充分利用TI公司MSP430单片机内部集成的各种功能模块，包括定时器模块、时钟模块、ADC模块、串口传输模块等，较好地解决了当前风力发电由风向捕捉而引入的机械磨损问题，优势大、成本低、具有很高的实用价值和市场推广前景。

2系统功能指标要求

2.1功能指标要求

（1）风向检测：

可以对当前的风向进行实时检测，并在液晶显示器上提供实时的更新显示；

（2）风速检测：

能够对当前的风速进行实时检测，并在液晶显示器上提供实时的更新显示；

（3）风向自动跟踪：

能够调整发电机的叶轮角度，并对最大风向进行实时跟踪；

（4）风速报警：

当风速超过预设值时，能够提供警报；

（5）温度检测：

显示能够对当前的温度进行检测并在液晶屏上进行实时更新显示；

（6）信息记录：

能够记录较长时间能的风速，风向，及温度信息；

（7）手动与自动切换：

可以提供手动和自动跟踪功能的切换，并且加入紧急制动装置。

2.2系统设计要求

（1）高可靠性

产品、系统在规定的条件下、规定的时间内、完成规定功能的能力称为可靠性。

如果系统的可靠性不能达标，那么系统出故障的几率就会增大，造成的损失也同样会增大。

这种损失不仅包括经济上和信誉上的损失，而且可能会对人身安全产生威胁甚至会产生更加严重的损失。

本设计中提高单片机系统可靠性的方法主要包括以下几个方面：

使用可靠性高的元器件；设计电路板时布线和接地要合理；对供电电源采用抗干扰措施等。

（2）异常处理能力

无论可靠性多高的系统或装置都可能会发生特殊情况，特殊情况的产生通常有两个原因，一是系统所处环境超出系统安全标准外；二是系统本身出现故障，在工业应用中，如果对异常情况不能很好的处理，同样可能造成严重的损失，因此在系统出现特殊情况时必须有特殊的处理方式。

在本系统设计中，为了提高对紧急情况的处理能力，在控制方式上加入了手动控制和自动控制的切换，并可以紧急制动，同时，当风速高于设定安全标准时能够提供报警。

（3）性价比

性价比是系统设计所要考虑的重要因素。

在本智能风力检测与发电系统中，以低廉的造价实现了风力检测、环境参数测量、数据存储与显示等多种功能。

本系统在满足性能要求前提下，大大降低了成本。

MSP430除体积小，功耗低等特点外，最大的优势在于高性价比。

是本系统采用MSP430单片机的重要因素之一。

3系统设计方案论证

3.1主控芯片的选择

单片机具有结构简单，体积小，成本低廉的优点，在控制领域得到广泛应用，因此本系统主要以单片机为核心进行设计，目前常用的单片机有C51、AVR、PIC、MSP430，在设计时，我们从如下5个方面将这四种单片机做了一下简单的对比：

（1）指令集：

C51单片机是8位单片机，采用CISC复杂指令集，共111条指令，其余三种是RISC精简指令集，AVR单片机有118条指令，PIC单片机至少有33条，而MSP430单片机则只有简洁的27条，可见MSP430单片机在指令集上的优势，所以其速度比其他单片机都要快很多；

（2）运算速度：

一般51单片机的1个机器周期需12个时钟周期，PIC系列单片机1个机器周期需4个时钟周期，而MSP430单片机的机器周期只需一个时钟周期即可，因此在执行指令的速度上MSP430单片机可达1MIPS/MHz；

（3）功耗：

C51单片机本身的电源电压是5V，正常情况下消耗的电流为24mA，在待机状态下，其耗电电流仍为3mA；即使在掉电方式下，电源电压可以下降到2V，但是为了保存内部RAM中的数据，还需要提供约50μA的电流。

PIC系列单片机在功耗方面较51而言稍低一些，待机电流2.5μA，正常工作状态的电流需1mA/MHz；AVR单片机在低功耗方面做的也很出色，掉电方式下电流可低至nA级别，但其正常工作时需要500μA/MHz的工作电流；低功耗性能最好是MSP430系列单片机，保证系统正常工作仅仅需要330µA/MHz的电流，其在低功耗上表现的非常出色；

（4）片内资源：

MSP430系列单片机是业界片内资源最丰富的单片机，集成有D/A转换模块，可以将数字信号直接转换输出。

将SPI、I2C、UART等常用通信协议集成到内部，可以与I2C接口，UART接口、SPI接口的器件直接无缝链接进行通信。

简化了硬件设计上的复杂度。

MSP430内部硬件乘法器、DMA数据传输以及比较器的整合，让其他类型的单片机在该领域无法望其项背。

虽然PIC单片机和AVR单片机的内部也集成相关的片内外设资源，但整体的功能远不如MSP430单片机完善；

（5）开发环境：

51单片机的开发环境不支持在线调试，程序加载完成后才能进行调试，不能逐步分析问题，如果程序稍微复杂，将会使调试难度加大。

而其他类型的单片机，内部包含FLASH型程序存储器，并支持JTAG技术，使开发工具变得简便，并且支持在线编程调试。

尤其是MSP430单片机的集成软件调试平台，调试时可以控制程序的运行，查看芯片内部的CPU资源和存储的数据，从而给复杂程序的编译带来了很大的方便。

综上分析，MSP430单片机与其他类型的单片机相比有着更突出的优势，在MSP430单片机中，我们选择了MSP430F1611，其内部集成12位ADC模数转换器，能轻易实现对两个绝对值型编码器产生信号的采集，能保证精度需求，提高集成性，同时其成本价格低，性价比高，可靠性强。

3.2风向检测模块

风具有方向性及发散性，方向没有固定值，且变化快、变化范围大、变化值随机。

目前在气象仪器中，采集风向主要还是靠风向标带动传感器，通过采集传感器信号来采集风速。

能够进行角度测量的传感器有角度传感器、电位器、增量型旋转编码器、绝对值型旋转编码器等。

本项目在设计该功能模块时，考虑了以下几个要求：

（1）方向要能够360度测量；

（2）能够连续的旋转；

（3）角度应该和信号能成线性对应关系，并且有固定的零点；

（4）信号能够方便的被单片机采集并量化。

角度传感器不符合要求

（1），电位器不符合要求

（2），增量型旋转编码器不符合要求（3）和（4），而绝对值型旋转编码器正好符合上述所有要求，所以此部分采用了绝对值型旋转编码器和风向标的结合来实现。

3.3风向自动跟踪与调节模块

此功能是本系统关键之一，也是一个难点，为了使发电机的风轮能够跟踪风速的最大方向，必须随时对叶轮进行调节，在调节叶轮时，我们尝试了如下两种方法：

（1）采用步进电机记步调节

系统检测风向后，主控芯片将当前最大风向和当前叶轮进行对比，算出电机的最佳旋转方向和需要选转的角度，再将角度转化为步进电机需要旋转的步数，从而达到角度的调节。

但是在采用此方法后，出现了下面几点问题：

Ø在系统初始化时需要设置电机的初始位置；

Ø步进电机在工作时可能会产生丢步的现象，误差会随时间加长而增大；

Ø在实际应用中，步进电机的扭力可能不足，且抖动明显；

（2）上部加入反馈，采用反馈调节

系统检测风向后，主控芯片将当前最大风向和当前叶轮进行对比，算出电机的最佳旋转方向和需要选转的角度，同时在电机上部再加上一个绝对值型旋转编码器采集当前叶轮的角度，作为一个调节反馈，采用此方法后，解决了方法

（1）中的前两个问题。

但由于经费问题，以及考虑该系统仅作为原理展示，我们依然采用了步进电机，在实际应用中须采用力矩电机，以解决方法

（1）中的第三个不足。

3.4风速检测模块

常见的风速探头有两种，一种是扇叶式，一种是风杯式。

扇叶式风速探头适合于对一个方向上的风速进行较准确的捕捉，而风杯式则更适合捕捉方向不确定的最大风向，在本系统中，由于风向是不确定的，所以选择了风杯式风速探头。

3.5风速报警模块

考虑到在实际应用中，若风速大于发电机的设计值，发电机很容易造成损坏甚至产生危险，为了方便展示，在本系统中加入了一组LED灯来提供警报。

在风速大于安全值时，该灯便会点亮，以表示警报。

3.6温度检测模块

该模块设计中，我们考虑到成本问题和精度要求，采用了Dallas公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20，这是一款比较常用的集成温度测量模块，具有接口电路简单、低成本、低功耗、测量精度高、可靠性高等特点。

3.7信息记录模块

该部分我们考虑了两种设计方案：

（1）在系统板上集成存储芯片，直接使用I2C或SPI和单片机通信

该方案中，因为MSP430F1611内部集成SPI和I2C通信模块，因此存储器可以采用I2C或SPI直接和单片机进行通信，不需要再添加其它外部芯片，但是存储容量小，且不易将数据转存，数据通用性差。

（2）采用USB设备，使用SD卡进行存储，间接使用I2C或SPI和单片机通信

此方案仅需外加SD卡控制芯片即可实现方案一的所有功能，考虑到实际使用中的方便性，于是采用该方案。

3.8手动与自动切换模块

在反复推敲后，我们认为为了保证系统在实际使用中的可靠性，应该在系统中加入自动与手动的切换功能，并且加入了较底层的紧急制动装置，以保证该系统能够处理各种特殊情况。

当使用者按下手动自动切换后，系统立刻进行紧急制动，单片机放弃发电机叶轮的控制，此时，可以通过控制台上的按钮进行人工操作。

此操作适用于测试安装，电机检查，及紧急情况。

3.9系统整体设计方案

通过上述的比较分析，确定采用MSP430F1611单片机作为主控芯片，风向的检测与跟踪通过两个绝对值型旋转编码器和一个步进电机来实现，风速的捕获采用风杯式风速探头，温度检测使用DS18B20，气象信息采用SPI接口通过SD卡控制芯片间接存入SD卡，并在系统中提供手动自动切换和紧急制动功能。

系统总体框图如下图1所示：

图1系统总体框图

4硬件模块设计与实现

4.1中央控制模块

中央控制模块是整个系统的核心，我们基于TI公司MSP430F1611官方手册中的最小系统电路对硬件进行了扩展，加入了一个SD卡控制芯片，以及LED指示灯，同时为了以后新功能的拓展，我们还加入了MAX324电平转换芯片，串口接头和按键。

MSP430F1611时钟震荡器由一个8MBHz和32KHz的石英晶体振荡器构成。

中央控制模块选用TI公司的TLV1117-3.3线性稳压电源转换芯片作为整个系统的供电电源供电，电源电路由接口输入5V直流电源，经过稳压二极管稳压，然后通过TLV1117-3.3线性稳压电源芯片将5V直流电压转换成3.3V电压，为提高系统模块电源质量，降低噪声对系统的影响，在电源转换芯片TLV1117-3.3的输入与输出端都增加0.1µF和10µF两个电容进行电源滤波，以消除电源的噪声减小电源信号对整个系统的干扰，在5V电源的输入端，还采用了5.1V的稳压二极管，以保证输入电源的电压不超过TLV1117-3.3电源芯片的额定电压值。

系统数据显示主要通过一个LCD12864实现，LCD12864和单片机通过串口进行连接，通过MSP430F1611内部的SPI异步通信模块实现和单片机的数据交流。

MSP430F1611所有I/O口均引出，P2.0~P2.7角可以通过跳线与板载的LED灯相连，可以提供系统工作的指示。

本项目设计的基于MSP430F1611的中央控制模块硬件电路如下图2所示：

图2中央控制模块硬件电路

4.2风向检测模块

在旋转编码器上加上风向标（如下图3），不同方向的风会使风向标偏向不同的角度，与之相连的绝对值编码器会通过风向标旋转角度的不同输出相应的电压，电压信号被MSP430内部的12位A\D采集后传给CPU。

绝对值旋转编码器在0°-358.6°下输出信号的电压大小为0.5-4.5V，信号最小变化0.0156v，经过电阻分压后将信号变为MSP430F1611内部ADC能够识别的0.25-2.25V电压信号，最小精度为0.0078v，本系统在分压模块中加入了一低通滤波器以减小电压的波动。

所以0.25V对应着角度值0°，2.25V对应着角度值358.6°度，角度与电压值之间的关系呈线性变换。

所以可以通过获取的电压值得到最大风速的角度值。

图3风向标照片

4.3风向自动跟踪与调节模块

在系统顶部放一个绝对值旋转编码器，此编码器的轴通过一个自制联轴器和步进电机的轴相连接，如此一来，单片机便可通过此编码器随时了解到风轮的当前方向，单片机将风轮当前的方向和风向检测模块中测得的当前风向进行比较，通过这两个值的差，进行PID调节（PID调节请见第5.3），从而实现风向的跟踪。

因此，此模块一共包括两个部分，一个是调节系统，另一个是反馈系统。

（1）调节系统

包括一个步进电机和步进电机驱动模块，本项目中采用L297驱动L298N来实现电机的驱动，电机控制采用光耦隔离电路与L298N驱动电路相结合的连接方法，以减小主机电路的压降。

用光电耦合器将驱动电路和单片机的地分离，解决了两者之间的干扰问题。

使用1N5822快速二极管作为续流器件，其速度要远快于整流桥的L298，并能对电机提供更完善的有效的保护。

通过L297驱动L298来实现对步进电机的间接驱动，仅需要单片机的一个端口来输出PWM脉冲来实现对电机的驱动。

节约了单片机端口的同时，利用光耦隔离电路大大提高了电路的稳定性。

在步进电机的轴上，我们通过车床自制了一个联轴器，用以连接上部的反馈系统。

（2）反馈系统

包括一个绝对值旋转编码器和一套连接步进电机的机械装置，机械装置由中轴，套筒，轴承，及联轴器，结构全部为自己加工制作而成。

中轴通过轴承插入套筒中，套筒再固定在顶层的电木板上，中轴的顶部通过联轴器和绝对值编码器的轴相连，底部通过联轴器和步进电机的轴相连，轴的中部用于固定风力发电机的叶轮，具体请见下图4。

图4模块机械装置照片

4.4风速检测模块

该模块由风杯和红外传感器组成（如下图5所示），红外传感器内部通过TI公司的LM392运算放大器构成负反馈放大电路来放大红外对管的信号，使红外对管能够将风杯的转速转化为MSP430F1611能够识别的脉冲。

红外对管置于风杯的下侧，风杯每划过红外对管的上方，红外对管变产生一个脉冲，风速改变风杯式叶轮的旋转速度，然后通过下面的红外传感器来产生不同频率的PWM脉冲，脉冲的个数与风速关系成线性变化。

单片机用I/O口对脉冲格个数进行采样，将采样值进行量化校正后便可读出当前的风速（具体量化过程请见5.4）

图5风速检测模块照片

4.5风速报警模块

该报警模块由一个简单的三极管开关电路和一组LED指示灯构成（如下图6所示），当风速检测模块传给单片机的风速值高于预设安全值时，单片机便会给警报器的三极管一个高电平信号，三极管便会驱动LED灯点亮，以达到报警的作用。

图6报警模块照片

4.6温度检测模块

该部分通过MSP430单片机控制DS18B20来实现，DS18B20与MCU之间的数据交换、控制都由一根信号线来完成（具体对该传感器的操作请见5.5）。

图7温度检测模块照片

4.7信息记录模块

信息记录模块集成在中央控制模块上，其中包括SD卡控制芯片CH376和SD卡，CH376支持三种通讯接口：

8位并口、SPI接口或者异步串口，在设计中采用SPI方式与MSP430进行通信。

具体的控制电路如下图8：

图8SD卡读写控制电路

4.8手动与自动切换模块

在步进电机的驱动模块中，L297的CLK端有两个分支，一个连接MSP430单片机，可以实现自动控制，而另外一个分支连接一个由NE555组成的多谐振荡器，在两个分支处，装有一个单刀双掷的自锁开关，用于手动和自动的切换（如下图9所示）。

当开关指向手动挡时，电机驱动的使能端，CLK，以及方向控制端口都和单片机分离，可以通过三个按钮实现电机的左右旋转及停止的手动控制，当切换入手动挡后，电机可以立即制动。

图9手动与自动切换模块照片

5系统软件设计

5.1系统软件设计方案概述

本部分主要对整个智能风力检测与发电控制系统的软件实现上进行介绍，我们在实现整个系统时，分别对风向、风力检测，风向自动跟踪、温度检测、液晶显示，信息记录几个功能模块进行了软件调试和系统联调，其中涉及MSP430F1611的I/O口、时钟模块、定时器A、定时器B、SPI通信接口、ADC12模数转换器等片上外设。

系统整体程序流程图如下图10所示。

考虑到程序中有较多的浮点运算，且算法较复杂，我们在对单片机初始化时将主系统时钟设置为XT2CLK（此处为8MBHz石英晶振），不分频，其余时钟均设为默认值。

图10系统软件总体流程图

5.2风向检测模块软件设计

该功能的实现主要依靠MSP430F1611单片机的ADC12模块，ADC12模块在系统初始化中进行初始化，ADC模块通过单片机引出的P6.0口进行采样，采样时钟选取为ADC12内部时钟，采用方式为单通道多次采样，启用采样中断，并在中断中置位中断标志位，提供给发电机叶轮的方向调节。

ADC的采样参考电压采用内部2.5v基准电压源，整个ADC的中断使能在系统开启时启动。

ADC采集的电压信号为12位二进制数，我们通过量角器对其二进制数进行量化处理，以转化为角度，量化后的公式如下：

angle=angle*360/2383

其中angle为ADC采集后返回的12位二进制码。

风向的显示更新由定时器B触发，定时器B采用子系统时钟，此处子系统时钟采用单片机内部振荡器，震荡频率为700KHz，不分频，TBCCR0设置为32768，采用中断，main函数中会对定时器B的中断标志位进行判断，来确定是否更新当前的显示。

5.3风向自动跟踪与调节模块软件设计

此部分为整个程序设计的核心部分，同时也是整个系统设计的难点所在，对风向的自动跟踪调节整体可分为两个部分：

一个是步进电机的驱动程序，另一个是PID控制算法，在系统运行过程中对步进电机进行调节。

（1）步进电机的驱动程序

由于系统采用L297间接驱动L298芯片来实现对步进电机的控制，因此系统仅需要一个I/O口便可以实现对步进电机的驱动，并同过另外两个I/O的高低电平对步进电机进行使能控制和方向控制。

驱动步进电机我们使用PWM脉冲，PWM脉冲采用50%占空比，PWM的频率高低可以控制步进电机的转速，PWM的频率由PID算法来控制。

PWM脉冲的产生利用定时器A来实现，定时器采用辅助系统时钟，CCR0为900，CCR1为CCR0/2，定时器A输出模式为OUTMOD_7，采用增计数模式，通过P1.2进行PWM的输出。

因此，PID只需调节CCRO便可调节步进电机的转速。

（2）PID算法对步进电机的控制

在控制系统中，控制算法的好坏直接决定系统的性能指标，也会直接决定控制效果的好坏。

按偏差比例（P），积分（I），微分（D）进行控制的PID控制器是应用最为广泛的一种自动控制器。

它不仅原理简单，而且易于实现，更重要的是适用面广，控制参数之间也相互独立，在选定参数的时候也相对简单。

在理论上，对于过程控制的典型对象—“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制，在本系统中也得到了很好的运用。

其原理图如下图11所示：

P

r（t）e（t）+c（t）

被控对象

I

-

++

D

图11PID算法原理图

给定值r（t），实际输出值c（t）：

e（t）=r（t）-c（t）

u（t）=Kp[e（t）+

+TD/dt*de（t）]

上式中，Kp为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。

本系统为典型的角随动系统，该系统为离散非线性系统，由于此角随动系统允许存在正负5度的稳态误差，为了很好地控制系统且简化系统，我们只选用P（比例）和D（微分）这两个元素，而没有引入I（比例）。

而且PD控制器能够加快系统的响应速度，提