基于單片機控制的角度自動調整系統設計

尹 慧，詹新生

（徐州工業職業技術學院 江蘇 徐州 221008）

角度自動調整控制系統在航空航天、航海、汽車駕駛等現實生活領域中都有重要應用，因此有著非常重要的研究價值和廣泛的應用價值[1]。把單片機與角度傳感器有效結合起來，就可實現一般領域的角度自動調整控制。文中詳細介紹了基于單片機控制的角度自動調整系統設計方法，該系統針對帆板角度進行控制，可根據需要自動調整帆板偏轉角度大小。

1 系統方案設計及電路工作原理

本系統包括單片機控制系統、角度檢測電路、驅動電路、角度檢測電路、顯示電路、電源電路、機械控制模塊等組成，如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the overall system

系統設計方案總體描述：方案設計的思路就是由單片機控制系統輸出PWM驅動信號給驅動電路，由驅動電路驅動風扇運轉，從而使帆板發生角度偏轉，角度檢測電路檢測帆板偏轉角度值送給單片機控制系統，由液晶顯示器上顯示出帆板所偏轉的角度。

控制系統采用單片機控制系統STC1205A08S2。由單片機輸出PWM信號給驅動電路，改變輸出電壓，從而實現對風扇轉速的改變。由于單片機系統是一個數字系統，其控制信號的變換受外界干擾小，整個系統工作可靠，從而利用單片機控制系統更能精確的實現對PWM波占空比的調整，達到對帆板角度偏轉進行精確地調整。且具有價格便宜、電路簡單等優點。

角度檢測電路采用WDD35D4角度傳感器。WDD35D4采用硬質鋁合金材料制作外殼，采用導電塑料作為電阻材料，多種電阻值可選，獨立線性度可達到0.1%，具有機械壽命長，分辨率高，轉動順滑，動態噪聲小的優良性能。

驅動電路采用采用PWM控制專用驅動芯片L298N。L298N是SGS公司的產品，內部包含4通道邏輯驅動電路。是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46 V、2 A以下的電機。

顯示電路用LCD液晶進行顯示。LCD液晶顯示由于其驅動電壓低、功耗微小、可靠性高、顯示信息量大、無閃爍、顯示清晰、使用方便、顯示快速等優點而得到了廣泛的應用。

風扇采用型號為WFB1212LE的大口徑風扇。在選擇風扇時應考慮風扇的材料、性能強勁、工作穩定、壽命長等特性，還要考慮風扇的地面尺寸。與風扇地面尺寸息息相關的數據是過風面積，進一步影響到風扇的重要指標是風量，擁有更大的地面尺寸，一般就可以獲得更大的過風面積，在風速相當的情況下，將獲得更大的風量。

機械控制模塊的設計關鍵是使帆板轉動自由、能順利回到零點；角度傳感器輸出精度高。直接把角度傳感器和帆板轉軸相連。此方案簡單、可行。但若帆板轉動范圍較小，角度傳感器輸出角度也較小，輸出精度相對低些。

2 理論分析與計算

2.1 測量角度原理

角度傳感器是一種精密的線繞電位器，如圖2所示。

圖2 角度傳感器測量原理Fig.2 Angular transducer measuring principle

由于角度傳感器是線性電位器，則有

從而得

若最大角amax和最大輸入電壓Umax往往是已知，若求出或測出輸出電壓，便可計算或測量角度。

由于單片機只能處理數字信號，因此需要通過一個A/D轉換電路把模擬信號轉換為數字信號送給單片機系統。WDD35D4角度傳感器的量程為：0～2 k，角度傳感器兩端電壓為12 V，由于帆板受到風力，使得帆板帶動角度傳感器的旋轉，從而改變角度傳感器分得的電壓，因此我們得到的控制算法為（x為假設的角度傳感器輸出電壓模擬量）：

由以上兩式可得

2.2 PWM控制原理

PWM的意思是脈寬調節，也就是調節方波高電平和低電平的時間比，一個20%占空比波形，會有20%的高電平時間和80%的低電平時間，而一個60%占空比的波形則具有60%的高電平時間和40%的低電平時間，占空比越大，高電平時間越長，則輸出的脈沖幅度越高，即電壓越高。如果占空比為0%，那么高電平時間為0，則沒有電壓輸出。如果占空比為100%，那么輸出全部電壓。所以通過調節占空比，可以實現調節輸出電壓的目的，而且輸出電壓可以無級連續調節。從而可精確調整電動機的轉速[3]。

分辨率也就是占空比最小能達到多少，如8位的PWM，理論的分辨率就是 1：255（單斜率，即 28之一），16位的PWM理論就是1：655 35（單斜率，即216之一）。為提高系統中的分辨率，本系統中采用10位的PWM，理論上的分辨率為 1：1 024。

本系統設計的核心算法為PID算法，它根據本次采集的數據與設定值進行比較得出偏差e（n），對偏差進行PID運算，最終利用運算結果控制PWM脈沖的占空比來實現對加在電機兩端電壓的調節，進而控制電機轉速。其運算公式為：

3 硬件主要模塊電路設計與分析

3.1 驅動電路

根據電路系統設計要求，驅動電路采用了L298N集成電路[4]。L298N是一種高壓、大電流雙全橋式驅動器，其設計是為接受標準TTL邏輯電平信號和驅動電感負載的。L298N芯片可驅動48 V、2 A以下的電機。電路圖如圖3所示。L298N驅動 1 個電機，OUT3、OUT4 之間接 1 個電動機。 5、7、10、12、腳接輸入控制電平，ENA接控制使能端（PWM信號），控制電機的停轉。

圖3 驅動電路Fig.3 Drive circuit

3.2 角度檢測電路

角度檢測電路如圖4所示，從角度傳感器取得模擬信號后，經A/D轉換電路轉換成數字信號送給單片機控制系統進行角度大小的判斷和顯示。考慮到帆板在回原的過程可能會出現微小的過零現象及裝配誤差問題（如電位器不是從零度開始），為了便于程序編寫和電路調整、檢測，把電位器初始角度放在180°（即阻值500 Ω）位置，在編寫顯示程序時再減掉180°。同時也便于從前后都可以對帆板進行吹風檢測。

圖4 角度檢測電路Fig.4 Angle detection circuit

4 機械模塊的設計

機械模塊的設計如圖5所示。為使其有足夠的機械強度，采用相對獨立的機械框架。把角度傳感器的轉軸和帆板轉軸相連安裝在框架的上方，采用螺釘固定的方式使角度傳感器穩定。為減小帆板轉軸另一端的接觸和轉動阻力，在軸的另一端加有比較輕薄且有一定機械強度的塑料板，通過減小接觸面來減小阻力。帆板的選擇即要考慮硬度，又要考慮機械強度，經過多次實驗，選擇筆記薄封面的塑料皮。為了減小由于塑料皮對變形對測量的影響，在帆板的中間加上一個硬度相對高一些條形塑料板。為使帆板處于轉軸的中心位置，先在軸上放在固定片，再把帆板上端夾入固定片中。在支撐架的側面裝有角度線、下面裝有刻度線等，便于測量帆板的偏轉角度和風扇與帆板之間的距離。

圖5 機械模塊的設計Fig.5 Mechanical design of the module

5 系統程序設計與工作流程

帆板角度的測量、顯示：帆板的轉動→角度傳感器輸出直流電壓→A/D轉換→單片機控制→角度顯示。

鍵盤操作控制、顯示：通過改變PWM（連續調節，每次調整占空比的時間較短；按給定值調節，按鍵盤設定值調節PWM）→帆板的轉動→角度傳感器輸出直流電壓→A/D轉換→單片機控制→角度顯示。系統程序流程圖如圖6所示。

6 結 論

分別用手撥動帆板或操作鍵盤設定規定角度值，該系統能夠實時顯示帆板偏轉角度值，并且系統能自動調整帆板到指定角度位置，并有無聲光提示。顯示范圍為0～60°，分辨力為2°，絕對誤差≤5°。且通過操作鍵盤控制風力大小，使帆板轉角θ能夠在0～60°范圍內變化，并能實時顯示θ。

圖7 系統程序按鍵流程圖Fig.7 Flow chart of Key system program

通過對系統進行測量、分析，該系統能夠進行角度自動調整。且系統有如下特色：1）性價比高，功耗小，能源利用率高。采用的為STC1205A08S2單片機控制系統，在完成功能的前提下價格低廉。電源模塊使用的是開關電源，相比線性電源而言，開關電源的效率高多了。2）采用PWM原理及L298N驅動電路。采用PWM原理及L298N驅動電路提高了控制精度。

[1]龔征華，龔秀軍，沈國海.基于角度傳感器的水動力裝置水翼控制系統[J].船舶，2006（4）：12-16.GONG Zheng-hua， GONG Xiu-jun， SHEN Guo-hai.Water power plant and control system of hydrofoil based on Angle sensor[J].SHIP&BOAT，2006（4）：12-16.

[2]葉貞貞.角度傳感器簡單應用系統[J].科技致富向導，2010（15）：48.YE Zhen-zhen.Simple application system of angle sensor[J].The Wizard of Technology Rich，2010（15）：48.

[3]王兆安.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2011.

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[6]戴娟.單片機技術與項目實施[M].南京:南京大學出版社，2010.