1、1帆板控制系统摘 要本帆板控制系统是以 STC89C52单片机为核心，应用 PWM技术、旋转角度传感器角度传感器和 AD转换技术实现了帆板控制系统的设计。系统应用 PWM脉冲宽度调制方式实现对风扇风速的多级调整；不同风速下系统通过风扇吹动帆板，控制帆板转角从 060任意变化，同时帆板的角度由旋转角度传感器检测，通过 AD转换后在 LCD-1602上显示。系统不仅可以通过键盘调整风速使帆板达到合适的角度，而且可以通过风扇转速的自动调节，控制帆板精确转动，使帆板的角度与输入的角度一致。经实验调试，帆板控制系统的设计较好地满足了任务要求。关键词：STC 单片机、PWM 调速、旋转角度传感器 、AD
2、转换2一、系统方案、1、主控制模块的论证与选择：方案一：采用 FPGA或 CPLD作为系统的控制器。优点：可以实现复杂逻辑功能，规模大，速度快，密度高，体积小，稳定性高，容易实现仿真、调试和功能扩展。缺点：成本高，引脚多，PCB 布线复杂。本设计对数据的处理要求不高，此方案的优势得不到充分体现。方案二：采用 51单片机作为系统的控制器。优点：算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，技术成熟，体积小，成本低，容易实现仿真、调试和功能扩展，并而 51MCU的运用比较熟练。 缺点：速度相对较低。方案三：采用 AVR单片机作为系统的控制器。优点：AVR 的 ATMEGA16L芯片内部带有 AD转换以及
3、 PWM电机高速功能，能够方便地解决整个系统的问题，是个很好的控制方案，但本设计取决于对相关技术的熟悉程度。所以选择方案二。2、电机控制模块的论证与选择：方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制。通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。此方案电路简单，但继电器易损坏、寿命短，可靠性不高。方案二：采用由分离元件达林顿管组成的 H型桥式 PWM电路驱动电机。这种电路由于管子交替工作在饱和与截止的模式下，因此效率非常高。H 型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极强。方案三:采用单片集成电路 L298构成 PWM电机驱动电路。L298N 芯片是较常用的电机
4、驱动芯片。该芯片有两个 TTL/CMOS 兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性能，可用单片机的 I/O口提供信号，电路简单、易用、稳定，具有较高的性价比。综合以上三种方案，选择方案三。3、角度传感器模块的论证与选择：方案一：通过单圈精密可调电阻转换成角度的变化。单圈精密可调电阻通过 A/D3转换后，由模拟信号转换成数字信号，通过转换变成角度的变化显示在液晶屏上。通过实验可以发觉由于可调电阻的转轴比较紧，偏转的角度不明显，造成测试的结果不理想，与要达到的要求不符合，所以方案二舍弃。方案二：数字加速度传感器。MMA7455 数字加速度传感器是一款数字输出（I2C/SPI） 、低功耗、紧凑型电容式微机
5、械加速度计，具有信号调理、低通滤波器、温度补偿、自测、可配置通过中断引脚检测、以及脉冲检测（用于快速运动检测）等功能。但是由于其成本高，控制比较复杂和麻烦，根据团队的实际，决定不采用这个方案。方案三：模拟旋转角度传感器检测角度的偏转。模拟旋转角度传感器是基于可调电位计工作原理所设计，其不仅可以做为可调电阻控制电机转速，还可以在其旋转头部安装单摆轮，测量倾角，旋转角度从 0到 270度，其而且体积小的特点，便于安装；转轴比较滑，这样便能够准确地带动帆板的转动使其偏转一定的角度。所以选择方案三。4、显示模块的论证与选择：方案一：使用 LCD-1602显示屏。优点：功耗小，显示数字与阿拉伯字母等字符
6、。缺点：编程难度较高。方案二：使用 LCD-12864显示屏。优点：带有汉字、图形、多种显示形式。缺点：编程难度较高，价格昂贵。方案三：使用 LED数码管。优点：编程难度低。缺点：功耗较大，电路连接相对较复杂。在低功耗下，显示界面友好、内容丰富，综合考虑，选用 LCD-1602来实现显示功能下，选择了方案一。4二、电路与程序设计2.1电路的设计2.1.1系统总体框图：说 明 ： 控 制 模 块 是 以 STC89C52 为 核 心 部 件 ， ADC0832 通 过 采 集 模 拟 旋 转角 度 传 感 器 返 回 的 信 号 转 换 成 数 字 量 ， 通 过 角 度 的 换 算 显 示 在
7、 LCD-1602显 示 屏 上 。 键 盘 能 够 选 择 工 作 模 式 和 功 能 的 实 现 。 当 某 一 项 功 能 实 现 的 时 候 ，并 附 有 声 光 提 示 。控制模块帆板模拟角度传感器电机控制模块声光提示 AD 转换器键盘模块 显示模块 电源模块 图 1-1 系统的主控制框图52.1.2电机驱动电路：电机控制电路如图 1-3所示。采用单片集成电路 L298构成 PWM电机驱动电路。L298的 IN1引脚和 ENA引脚与单片机 IO口连接，L298 的 OU1引脚和 OUT2引脚与电机两端相连。采用 PWM调速的方法对电机进行控制，单片机 IO口输出 PWM信号到 L29
8、8的 IN1引脚，通过对 PWM信号占空比的变化调节电机的转动速度，同时单片机控制 L298的 ENA引脚，使能 L298的 OUT1和 OUT2引脚的输出，从而启动或停止电机工作。2.1.3角度检测电路：角度检测电路如图 1-4所示。图 1-4中，P20 为模拟旋转角度传感器，传感器能根据检测到的角度变化输出与检测角度成正比的模拟电压，检测角度的范围为 0O270O，模拟电压的范围为 05V。模拟电压由传感器 OUT引脚输出，通过 ADC0832的 CH0端送入 ADC0832中。ADC0832 对模拟电压进行 AD转换，再把转换后的数字量通过 DO端送进图 1-2 电机控制电路6单片机。
9、AD电路用于转换旋转角度传感器输出的模拟信号，变成数字量输入到单片机，通过角度传化计算，显示在 LCD-1602上。2.1.5 矩阵键盘电路：矩阵键盘电路如图 1-6所示。利用矩阵键盘可控制风扇风速，输入帆板角度，系统工作模式的设定值。图 1-3 角度检测电路图 1-4 矩阵键盘电路72.2程序的设计主程序流程图：说明：该程序流程图程序设有模式选择功能，根据模式的选择，键盘的输入与 PMW的控制，实现所要的功能。开始模式选择角度设定电机调速角度检测电机控制角度检测显示是否到达设 定值？调节转速 否是否退出是否退出是是显示否是1 2图 1-5 程序流程图8三、测试方案3.1测试方案3.1.1、硬
10、件调试：说明：根据该流程图，依次检测单片机模块、电机控制模块、键盘模块等的检测，经检测存在小小的问题，但经过耐心的检测与讨论，最终解决了问题的所在。3.1.2、软件调试：在功能控制模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是 PID控制。常规的模拟PID控制系统原理框图如图所示。 图 1-7 模拟 PID控制系统原理图该系统由模拟 PID控制器和被控对象组成。图中， r(t)是给定值， y(t)是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差 e(t)。 公式： e(t) = r(t) y(t) （式 11） e (t)作为 PID控制的输入，u(t)作为 PID控制器的输出和被控对象的输入。通
11、过上述的 PID算法，可以很好的控制电机的转速。分析电路图 模块电路测试 总体测试 总结比例积分微分被控对象r(t) u(t)e(t)+ +y(t)图 1-6 硬件流程图9四、测试结果4.1 测试仪器测试仪器：模拟电压表、角度尺 、直尺 、秒表4.2 测试结果及分析4.2.1基本要求的测试结果(数据)：基本要求（1）：手动帆板测量的转角如表 41所示： 根据表 41所测试的数据，很好的达到了系统的要求。基本要求（3）：帆板转角稳定在 4050范围的测试如表 42所示：根据表 42所测试的数据与角度显示。在这个测量中，都很好的在 10秒内，到达题目的要求。实际值 5O 10O 15O 20O 2
12、5O 30O 35O 40O 45O 50O 55O 60O测量值 6O 12O 17O 19O 27O 30O 33O 42O 44O 52O 54O 62O绝对误差 +1O +2O +2O -1O +2O -1O -2O +2O -1O +2O -1O +2O实验次数 1 2 3 4 5角度范围 4347O 4347O 4448O 4347O 4348O所需时间 4s 5s 6s 5s 7s104.2.2发挥部分的测试结果(数据)：发挥部分（1）：当间距 d=10cm时，键盘设定帆板角度的测试如表 33所示： 对于这部分的测试，基本达到了功能的要求，达到了最大误差不超过 5度。发挥部分（2
13、）：当间距 d=7cm时，键盘设定帆板角度的测试如表 44所示： 当间距 d=9cm时，键盘设定帆板角度的测试如表 45所示： 当间距 d=12cm时，键盘设定帆板角度的测试如表 46所示： 设定值 5 15 25 35 45 55角度范围 410 1218 1928 3238 4249 5159所需时间 4s 3s 3s 2s 3s 4s设定值 5 15 25 35 45 55角度范围 611 1022 2232 3240 4152 5160所需时间 4s 3s 2s 3s 4s 4s设定值 5 15 25 35 45 55角度范围 511 1020 2228 2739 4153 5260所需时间 4s 4s 3s 3s 5s 5s设定值 5 15 25 35 45 55角度范围 411 1019 2328 2740 4150 5360所需时间 4s 3s 4s 5s 5s 6s
