設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)帆板控制系統(tǒng)，通過對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制，調(diào)節(jié)風(fēng)力大小，改變帆板轉(zhuǎn)角θ，如圖1所示。帆板形式及具體制作尺寸如圖2所示。

圖1 帆板控制系統(tǒng)示意圖

圖2 帆板制作尺寸圖

根據(jù)題目要求，設(shè)計(jì)任務(wù)要實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇和帆板之間的距離在一定范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，自動(dòng)調(diào)節(jié)帆板達(dá)到通過鍵盤設(shè)定的預(yù)置轉(zhuǎn)角（下文簡(jiǎn)稱：預(yù)置參數(shù)），同時(shí)對(duì)控制過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并顯示。

設(shè)計(jì)思路：以AVR單片機(jī)為核心，采用閉環(huán)控制，角度傳感器檢測(cè)帆板的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度，單片機(jī)定時(shí)采集，與帆板預(yù)置參數(shù)進(jìn)行比較，生成調(diào)控風(fēng)扇電機(jī)的PWM信號(hào)；用LCD屏顯示預(yù)置參數(shù)、帆板的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、調(diào)節(jié)用的PWM信號(hào)及調(diào)控過程完成的時(shí)間等內(nèi)容。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

硬件概述

系統(tǒng)由以下幾個(gè)基本模塊組成：電源模塊、單片機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示與聲光報(bào)警模塊、鍵盤模塊和角度檢測(cè)模塊。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框圖

（1）控制模塊：采用AVR單片機(jī)控制；

（2）角度檢測(cè)模塊：采用ADXL345角度傳感器；

（3）風(fēng)扇類型：采用軸流式的電吹風(fēng)風(fēng)扇；

（4）電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式：采用L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片；

（5）顯示模塊：用LCD1602液晶模塊進(jìn)行顯示；

（6）電源模塊：采用LM2576開關(guān)型降壓穩(wěn)壓芯片。

角度檢測(cè)電路

角度傳感器選用三軸加速度計(jì)ADXL345。其輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過SPI(3線或4線)或I2C數(shù)字接口訪問。對(duì)ADXL345的數(shù)據(jù)累計(jì)采樣50次,取其平均值作為結(jié)果,這種方法成功的解決了風(fēng)帆擺動(dòng)不穩(wěn)的難題。單片機(jī)依據(jù)該值大小與預(yù)置參數(shù)運(yùn)算，最后生成調(diào)節(jié)風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM信號(hào)。

ADXL345與單片機(jī)采用I2C模式通信，電路如圖4所示。角度檢測(cè)電路由IC1、IC3、R15、R16組成。

圖4 角度檢測(cè)電路

驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種為二相和四相電機(jī)配備的專用驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)雙電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)接線電路如圖5所示。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

在電路中，風(fēng)扇電機(jī)接在L298的OUTl、OUT2輸出端口上，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的兩個(gè)輸入引腳，7腳通過電阻R4接在電源上，9腳直接接地?？刂骑L(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM信號(hào)，由單片機(jī)的PD5引腳輸出，通過隔離光耦I(lǐng)C5接在使能控制端8引腳上，L298輸出的通斷時(shí)間受控于PWM的變化，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小，最終控制了吹動(dòng)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)力強(qiáng)弱。電路中的D1~D4起續(xù)流二極管作用。

聲光報(bào)警和按鍵電路

系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了聲光報(bào)警電路，見圖6所示。當(dāng)帆板旋轉(zhuǎn)到預(yù)置參數(shù)時(shí)，由單片機(jī)控制其工作，并持續(xù)5秒鐘報(bào)警。它由電阻R5、R18、發(fā)光二極管D5、三極管Q1和揚(yáng)聲器LS1組成。當(dāng)單片機(jī)的PA5引腳輸出低電平信號(hào)時(shí)，二極管發(fā)光，蜂鳴器發(fā)出聲音，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。

圖6 聲光報(bào)警、鍵盤電路

系統(tǒng)中的按鍵功能是控制風(fēng)帆電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和設(shè)定帆板的轉(zhuǎn)角參數(shù)值。各鍵功能如下：

S1：起動(dòng)鍵，點(diǎn)動(dòng)后，電機(jī)起動(dòng)；

S2：停止鍵，點(diǎn)動(dòng)后，電機(jī)停止；

S3：確認(rèn)鍵，首次操作，允許設(shè)定預(yù)置參數(shù)，再次操作，退出，并存儲(chǔ)參數(shù)(預(yù)置參數(shù)存在單片機(jī)的EEPROM中)；

S4：加1鍵，點(diǎn)動(dòng)1次，預(yù)置參數(shù)個(gè)位數(shù)值加1；

S5：加1鍵，點(diǎn)動(dòng)1次，預(yù)置參數(shù)十位數(shù)值加1。

電源

LM2576開關(guān)型穩(wěn)壓器的效率比三端線性穩(wěn)壓器要高的多，有優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力，其內(nèi)部含有頻率補(bǔ)償器和一個(gè)固定頻率振蕩器，可將外部元件數(shù)目減到最少且使用方便。電源電路如圖7所示。

圖7 電源電路

為了解決帆板在與風(fēng)機(jī)近距離且小角度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其穩(wěn)定性不易精確控制的難題，我們采用可自動(dòng)跳變的雙電源，即供給L298芯片的主電源VCC_K有9V和20V兩種電壓。單片機(jī)根據(jù)預(yù)置參數(shù)的大小，控制三極管Q2驅(qū)動(dòng)繼電器K1，自動(dòng)切換兩種電源的輸出。

顯示電路略。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PWM算法設(shè)計(jì)

由于風(fēng)扇與帆板之間的距離d不固定，每次風(fēng)扇電機(jī)起動(dòng)時(shí)，PWM先按最大值距離時(shí)預(yù)置參數(shù)對(duì)應(yīng)的PWM2值給定，當(dāng)控制帆板轉(zhuǎn)到預(yù)置參數(shù)值后，PWM值按下列公式計(jì)算出。

PWM=PWM2-((PWM2-PWM1)/K)×(θ1-θ2)

θ1=帆板轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)際角度值；

θ2=預(yù)置參數(shù)；

PWM1最小距離時(shí)θ2對(duì)應(yīng)的PWM值(由實(shí)驗(yàn)獲得)；

PWM2最大距離時(shí)θ2對(duì)應(yīng)的PWM值(由實(shí)驗(yàn)獲得)；

K=d+13

PWM賦值范圍是0~255。

軟件流程設(shè)計(jì)

角度檢測(cè)單元

角度檢測(cè)單元主程序流程框圖見圖8所示，主要包括：

（1）初始化：I2C模式通信設(shè)置、定時(shí)器中斷等；

（2）采集判斷：采集完成標(biāo)志位有效，傳感器的數(shù)據(jù)保留；

（3）數(shù)據(jù)運(yùn)算：每次采集到實(shí)際角度的信息,線性化后轉(zhuǎn)換成可顯示的角度值；

（4）50次采集判斷：是否完成了50次角度數(shù)據(jù)采集；

（5）生成偏差量：實(shí)測(cè)帆板轉(zhuǎn)角與預(yù)置參數(shù)運(yùn)算，生成待調(diào)節(jié)的偏差量。

圖8 角度檢測(cè)單元主程序流程框圖

控制單元

控制單元主程序流程，主要包括初始化、起動(dòng)按鍵判斷與處理、停止按鍵判斷與處理、報(bào)警判斷與處理和設(shè)置參數(shù)判斷與處理等。

（1）初始化：主要包括引腳配置初始化、相關(guān)參數(shù)初始化等；

（2）起動(dòng)按鍵判斷與處理：按鍵有效，執(zhí)行電機(jī)起動(dòng)子程序（主要工作：讀出EEPROM中預(yù)置參數(shù)，由PWM信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出，并累計(jì)控制過程的用時(shí)）；

（3）停止按鍵判斷與處理：按鍵有效，執(zhí)行電機(jī)停止子程序（主要工作：停止電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出，并清零累計(jì)控制過程的時(shí)間）；

（4）報(bào)警判斷與處理：帆板轉(zhuǎn)到預(yù)置參數(shù)時(shí)，執(zhí)行聲光報(bào)警子程序（主要工作：聲光報(bào)警，停止累計(jì)控制過程的用時(shí)）；

（5）設(shè)置參數(shù)判斷與處理：按鍵有效，執(zhí)行參數(shù)設(shè)定子程序（主要工作：實(shí)現(xiàn)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)的預(yù)置參數(shù)設(shè)定，并存儲(chǔ)保留參數(shù)值）。

測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

1.測(cè)試儀器：量角器、刻度尺、示波器、溫度計(jì)、數(shù)字萬用表。

2.測(cè)試結(jié)果分析：經(jīng)反復(fù)測(cè)試，要達(dá)到分辨力為1°、絕對(duì)誤差≤3°、調(diào)整時(shí)間小于3秒、距離d在5cm~18cm 范圍可變、旋轉(zhuǎn)角度在0~20°之間變化時(shí)，電機(jī)供電電壓應(yīng)為9V；當(dāng)風(fēng)帆轉(zhuǎn)角在21°~70°之間變化時(shí)，電機(jī)供電電壓應(yīng)為20V。對(duì)應(yīng)的PWM數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 PWM數(shù)據(jù)