基于單片機(jī)控制的帆板系統(tǒng)的設(shè)計與測試

智海素，李英輝，曲昀卿

（石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與電子工程系，石家莊 050081）

1 控制要求及系統(tǒng)方案設(shè)計

帆板與風(fēng)扇的間距d 在7～15cm 范圍內(nèi)任意選擇時，通過按鍵設(shè)定帆板轉(zhuǎn)角θ在0～60°內(nèi)可調(diào)，要求θ在5 秒內(nèi)達(dá)到設(shè)定值，并通過液晶實時顯示θ，且最大誤差的絕對值不超過5°。

直流電機(jī)選擇脈沖寬度調(diào)制（PWM）調(diào)速。PWM是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，其優(yōu)點是控制方便，精度較高，常被用于直流負(fù)載回路或直流電動機(jī)調(diào)速中[1]。

宏晶科技的STC12C5A60S2是單時鐘、高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。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，主要用于強(qiáng)干擾。驅(qū)動電路采用PNP達(dá)林頓功率晶體管TIP127設(shè)計驅(qū)動電路，TIP127具有耐壓高，驅(qū)動能力強(qiáng)等優(yōu)點。采用光電編碼器測量角度。編碼器是將信號或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。編碼器把角位移信號轉(zhuǎn)換為機(jī)器可讀取的二進(jìn)制碼以用于通訊、傳輸和儲存，具有讀取數(shù)據(jù)方便、轉(zhuǎn)速高、響應(yīng)快、抗干擾強(qiáng)、分辨率寬、適用于精密工作環(huán)境等優(yōu)點。

FYD12864顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個16×16點陣漢字和128個ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。聲光報警選擇LED和語音聲光報警，采用語音芯片，通過單片機(jī)串行口輸出語音信息，可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)滿足特定控制要求時讀出帆板轉(zhuǎn)角。

2 硬件及軟件系統(tǒng)設(shè)計

帆板裝置包括滑道、直流風(fēng)扇（含底座）、支架、旋轉(zhuǎn)軸、編碼器等部分。帆板采用熱熔膠固定在旋轉(zhuǎn)軸上；旋轉(zhuǎn)軸利用軸承固定在支架上，旋轉(zhuǎn)軸與編碼器連接，實現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)；12V直流風(fēng)扇固定在可移動底座上；在標(biāo)有刻度的滑道上可以改變風(fēng)扇與支架的位置，實現(xiàn)距離調(diào)節(jié)。

角度測量主要通過編碼器實現(xiàn)，雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器A、B兩相輸出兩組相位差90°的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。由于A、B兩相相差90°，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。

本系統(tǒng)采用PWM來調(diào)節(jié)直流電機(jī)的速度，在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源,并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時速度增加；電機(jī)斷電時速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律改變通、斷電的時間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。

控制電路包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、按鍵模塊、液晶顯示模塊、聲光報警模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊等部分。

圖1 單片機(jī)最小控制系統(tǒng)

單片機(jī)最小控制系統(tǒng)以STC12C5A60S2核心，復(fù)位電路具有手動和上電復(fù)位兩種形式、時鐘電路采用12MHz晶振，EA引腳接5V電源，由此可知存儲器選擇內(nèi)部寄存器，單片機(jī)最小控制系統(tǒng)如圖1所示[2]。

圖2 串行液晶顯示模塊

圖3 按鍵操作模塊

液晶顯示模塊采用12864液晶，由單片機(jī)進(jìn)行串行控制，實時顯示帆板轉(zhuǎn)角、帆板與風(fēng)扇間距、功能選擇菜單等信息，串行液晶顯示模塊電路如圖2所示。

按鍵模塊有6個按鍵組成，分別由單片機(jī)的P0口控制，其功能分別是啟動、確定、增加、減小，調(diào)試時根據(jù)控制要求進(jìn)行按鍵操作，按鍵模塊電路如圖3所示。

電機(jī)驅(qū)動模塊采用光電耦合器進(jìn)行光電隔離，功率管TIP127進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動12V直流風(fēng)扇電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動模塊電路圖如圖4所示。

圖4 電機(jī)驅(qū)動模塊電路圖

聲光報警模塊由LED進(jìn)行光電報警，單片機(jī)通過串口向語音芯片SYN6288傳送數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理控制揚(yáng)聲器進(jìn)行開機(jī)和自動模式時進(jìn)行語音提示，聲光報警模塊電路如圖5所示。

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化操作，液晶顯示默認(rèn)間距和角度，然后根據(jù)控制要求設(shè)定間距d和角度θ。風(fēng)扇與帆板間距d在7～15cm范圍內(nèi)設(shè)定，帆板轉(zhuǎn)角θ在0～60°范圍內(nèi)設(shè)定。首先調(diào)整間距為設(shè)定值，然后通過按鍵分別設(shè)定間距和轉(zhuǎn)角，設(shè)定完成后電機(jī)驅(qū)動風(fēng)扇控制帆板轉(zhuǎn)角達(dá)到設(shè)定值，同時編碼器檢測帆板轉(zhuǎn)角，并通過液晶實時顯示轉(zhuǎn)角和間距。

圖5 聲光報警模塊電路圖

3 系統(tǒng)測試

測試條件：間距d＝7～15cm，θ＝0～60°；

測試設(shè)備：量角器、開關(guān)電源、示波器、萬用表、秒表、直尺；

測試過程：系統(tǒng)上電后，將帆板位置和液晶顯示歸零，通過按鍵分別輸入帆板與風(fēng)扇間距及帆板轉(zhuǎn)角設(shè)定值，記錄帆板實際轉(zhuǎn)角及所用時間，帆板控制系統(tǒng)測試表如表1所示。

4 結(jié)論

測試結(jié)果表明設(shè)計的帆板控制系統(tǒng)滿足了基本控制要求和發(fā)揮設(shè)計要求，精度較高，可靠性較好，但仍存在較小誤差，綜合分析可知產(chǎn)生誤差的因素主要有以下三方面：1）編碼器與橫軸連接不完全水平，造成橫軸與編碼器偏轉(zhuǎn)不同步，另外編碼器在工作過程中會丟失脈沖，造成測量角度不夠精確；2）電源需要給直流風(fēng)扇、單片機(jī)、編碼器、喇叭、液晶等器件供電，存在電磁干擾，影響電源穩(wěn)定性，從而影響測試精度；3）由于電機(jī)轉(zhuǎn)速是非線性的，在PWM調(diào)制時將其小范圍進(jìn)行線性化處理，由此產(chǎn)生誤差。

表1 帆板控制系統(tǒng)測試表

[1]全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品選編[C](2005).北京: 北京理工大學(xué)出版社,2007.

[2]陳桂友.增強(qiáng)型8051單片機(jī)實用開發(fā)技術(shù)[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社,2009.