設(shè)計任務(wù)

設(shè)計并制作一個帆板控制系統(tǒng)，通過對風(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)計任務(wù)要實現(xiàn)風(fēng)扇和帆板之間的距離在一定范圍內(nèi)變動時，在規(guī)定的時間內(nèi)，自動調(diào)節(jié)帆板達到通過鍵盤設(shè)定的預(yù)置轉(zhuǎn)角（下文簡稱：預(yù)置參數(shù)），同時對控制過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)進行實時處理并顯示。

設(shè)計思路：以AVR單片機為核心，采用閉環(huán)控制，角度傳感器檢測帆板的實際轉(zhuǎn)動角度，單片機定時采集，與帆板預(yù)置參數(shù)進行比較，生成調(diào)控風(fēng)扇電機的PWM信號；用LCD屏顯示預(yù)置參數(shù)、帆板的轉(zhuǎn)動角度、調(diào)節(jié)用的PWM信號及調(diào)控過程完成的時間等內(nèi)容。

系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

硬件概述

系統(tǒng)由以下幾個基本模塊組成：電源模塊、單片機控制模塊、電機驅(qū)動模塊、顯示與聲光報警模塊、鍵盤模塊和角度檢測模塊。整個系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框圖

（1）控制模塊：采用AVR單片機控制；

（2）角度檢測模塊：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）電機驅(qū)動方式：采用L298電機驅(qū)動芯片；

（5）顯示模塊：用LCD1602液晶模塊進行顯示；

（6）電源模塊：采用LM2576開關(guān)型降壓穩(wěn)壓芯片。

角度檢測電路

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

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

圖4 角度檢測電路

驅(qū)動電路

電機驅(qū)動模塊L298內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路，是一種為二相和四相電機配備的專用驅(qū)動器，內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動雙電機。電機驅(qū)動接線電路如圖5所示。

圖5 電機驅(qū)動電路

在電路中，風(fēng)扇電機接在L298的OUTl、OUT2輸出端口上，控制電機正反轉(zhuǎn)的兩個輸入引腳，7腳通過電阻R4接在電源上，9腳直接接地。控制風(fēng)扇電機轉(zhuǎn)速的PWM信號，由單片機的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輸出的通斷時間受控于PWM的變化，實現(xiàn)了單片機調(diào)節(jié)風(fēng)扇電機的轉(zhuǎn)速大小，最終控制了吹動帆板轉(zhuǎn)動的風(fēng)力強弱。電路中的D1~D4起續(xù)流二極管作用。

聲光報警和按鍵電路

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

圖6 聲光報警、鍵盤電路

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

S1：起動鍵，點動后，電機起動；

S2：停止鍵，點動后，電機停止；

S3：確認鍵，首次操作，允許設(shè)定預(yù)置參數(shù)，再次操作，退出，并存儲參數(shù)(預(yù)置參數(shù)存在單片機的EEPROM中)；

S4：加1鍵，點動1次，預(yù)置參數(shù)個位數(shù)值加1；

S5：加1鍵，點動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)異的線性和負載調(diào)整能力，其內(nèi)部含有頻率補償器和一個固定頻率振蕩器，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)機近距離且小角度轉(zhuǎn)動時，其穩(wěn)定性不易精確控制的難題，我們采用可自動跳變的雙電源，即供給L298芯片的主電源VCC_K有9V和20V兩種電壓。單片機根據(jù)預(yù)置參數(shù)的大小，控制三極管Q2驅(qū)動繼電器K1，自動切換兩種電源的輸出。

顯示電路略。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

PWM算法設(shè)計

由于風(fēng)扇與帆板之間的距離d不固定，每次風(fēng)扇電機起動時，PWM先按最大值距離時預(yù)置參數(shù)對應(yīng)的PWM2值給定，當(dāng)控制帆板轉(zhuǎn)到預(yù)置參數(shù)值后，PWM值按下列公式計算出。

PWM=PWM2-((PWM2-PWM1)/K)×(θ1-θ2)

θ1=帆板轉(zhuǎn)動的實際角度值；

θ2=預(yù)置參數(shù)；

PWM1最小距離時θ2對應(yīng)的PWM值(由實驗獲得)；

PWM2最大距離時θ2對應(yīng)的PWM值(由實驗獲得)；

K=d+13

PWM賦值范圍是0~255。

軟件流程設(shè)計

角度檢測單元

角度檢測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、定時器中斷等；

（2）采集判斷：采集完成標志位有效，傳感器的數(shù)據(jù)保留；

（3）數(shù)據(jù)運算：每次采集到實際角度的信息,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：實測帆板轉(zhuǎn)角與預(yù)置參數(shù)運算，生成待調(diào)節(jié)的偏差量。

圖8 角度檢測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、起動按鍵判斷與處理、停止按鍵判斷與處理、報警判斷與處理和設(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）起動按鍵判斷與處理：按鍵有效，執(zhí)行電機起動子程序（主要工作：讀出EEPROM中預(yù)置參數(shù)，由PWM信號控制電機驅(qū)動器輸出，并累計控制過程的用時）；

（3）停止按鍵判斷與處理：按鍵有效，執(zhí)行電機停止子程序（主要工作：停止電機驅(qū)動器輸出，并清零累計控制過程的時間）；

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

（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：實現(xiàn)帆板轉(zhuǎn)動的預(yù)置參數(shù)設(shè)定，并存儲保留參數(shù)值）。

測試方案與測試結(jié)果

1.測試儀器：量角器、刻度尺、示波器、溫度計、數(shù)字萬用表。

2.測試結(jié)果分析：經(jīng)反復(fù)測試，要達到分辨力為1°、絕對誤差≤3°、調(diào)整時間小于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，電機供電電壓應(yīng)為9V；當(dāng)風(fēng)帆轉(zhuǎn)角在21°~70°之間變化時，電機供電電壓應(yīng)為20V。對應(yīng)的PWM數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 PWM數(shù)據(jù)

作者信息：遼寧機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院

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