基于STC12C60S2單片機(jī)的帆板控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅 樂(lè)

(成都工業(yè)學(xué)院通信工程系，四川 成都 611730)

1 系統(tǒng)構(gòu)建

本系統(tǒng)主要由CPU模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、角度傳感器模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、鍵盤(pán)及顯示模塊、電源模塊等部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示．通過(guò)調(diào)節(jié)單片機(jī)輸出PWM控制驅(qū)動(dòng)電路達(dá)到調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速即為風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，風(fēng)速的大小決定帆板與垂直截面的夾角大小［1］．再通過(guò)角度傳感器測(cè)得帆板的實(shí)際角度，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后與事先預(yù)置角度對(duì)比，將誤差角度經(jīng)PID修正，由單片機(jī)再次進(jìn)行PWM波輸出，控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速使帆板角度穩(wěn)定到規(guī)定的范圍內(nèi)．

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2．1 CPU單元及部分外圍電路

STC12C60S2單片機(jī)具有增強(qiáng)型的8051內(nèi)核，系統(tǒng)穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)，支持寬電壓輸入，內(nèi)帶10位A/D轉(zhuǎn)換器、8位PWM控制，具有很好的性價(jià)比［2］．CPU模塊及外圍電路如圖2所示．

圖2 CPU模塊及外圍電路

2．2 角度測(cè)量模塊

系統(tǒng)要求采集帆板的實(shí)際角度以及帆板與垂直截面的實(shí)際距離，僅用單片機(jī)內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器難以達(dá)到要求，故采用MAX公司的MAX1241作為外擴(kuò)的A/D轉(zhuǎn)換器．角度傳感器具有阻尼系數(shù)小、精度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)且不會(huì)影響帆板的自由移動(dòng)，所以對(duì)角度的測(cè)量采用角度傳感器以達(dá)到對(duì)角度的精確測(cè)量．由于角度變化范圍為0～90°，故測(cè)量的最小單位計(jì)算公式為ΔR*90/(R*2^N)．其中N=12，ΔR為角度傳感器的測(cè)角電阻段，R為測(cè)角傳感器的整圈電阻［3］．電路如圖 3 所示．

圖3 角度及距離測(cè)量電路

2．3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

L298N內(nèi)含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相電機(jī)專業(yè)驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)含2個(gè)H橋的高電壓大電流的全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以驅(qū)動(dòng)46 V、2 A以下的電機(jī)，具有高轉(zhuǎn)矩重量比、寬調(diào)速范圍、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)［4-5］．設(shè)計(jì)電路如圖4所示．

圖4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2．4 電源電路

根據(jù)需要制作出滿足系統(tǒng)要求的電源，實(shí)現(xiàn)效率最大化和系統(tǒng)的完備性，降低電路對(duì)外接電源的依賴，提高系統(tǒng)的獨(dú)立性，電路如圖5所示［6-7］．

圖5 電源電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)題目要求，涉及的軟件包含對(duì)帆板轉(zhuǎn)角、距離的測(cè)量，采樣數(shù)據(jù)的處理，電機(jī)的控制，鍵盤(pán)及顯示等部分．其中，鍵盤(pán)包含預(yù)置角度、距離的設(shè)置，電壓值及輸出信號(hào)類型的選擇;顯示部分程序采用菜單界面控制，包含有帆板角度、帆板的距離、電壓值、信號(hào)類型等參數(shù)的顯示［8-9］．主程序流程圖如圖6所示．

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

4．1 測(cè)試環(huán)境

測(cè)試方案：采用軟件仿真測(cè)試→硬件測(cè)試→軟硬件聯(lián)調(diào)測(cè)試方式．

測(cè)試條件：經(jīng)多次檢查，保證仿真電路和實(shí)際硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全一致，且檢查無(wú)誤，實(shí)際硬件電路無(wú)虛焊、漏焊．

測(cè)試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬(wàn)用表，指針式萬(wàn)用表，量角器，直尺［10］．

4．2 測(cè)試結(jié)果分析

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)完成后，按照如前的條件，在不同的條件下，對(duì)系統(tǒng)各方面的性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果分別如表1～4所示．其中，手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度值與實(shí)測(cè)角度值如表1所示;當(dāng)帆板距離風(fēng)源的直線距離為10 cm時(shí)，按鍵值、顯示值、實(shí)測(cè)值如表2所示;當(dāng)帆板穩(wěn)定在45°時(shí)所測(cè)參數(shù)如表3所示;當(dāng)帆板距離風(fēng)源的直線距離為7～15 cm內(nèi)，預(yù)置角度、顯示角度和系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)所需時(shí)間如表4所示．

根據(jù)如表1～4所示的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，整個(gè)系統(tǒng)在角度設(shè)置、角度的測(cè)量和角度的控制上，誤差都能控制在較小的范圍內(nèi)．由此表明，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的系統(tǒng)控制精度較為理想，線性度和一致性較好，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，能較好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制功能．

表1 手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度值與實(shí)測(cè)角度值

表2 D=10 cm時(shí)按鍵值、顯示值、實(shí)測(cè)值

表3 帆板穩(wěn)定角度及時(shí)間

表4 D=7～15 cm時(shí)預(yù)置角度、顯示角度和穩(wěn)定時(shí)間

5 結(jié)語(yǔ)

由測(cè)試結(jié)果不難看出，本系統(tǒng)運(yùn)用STC12C60S2單片機(jī)，通過(guò)PWM對(duì)直流電機(jī)調(diào)速，能夠以較小的誤差實(shí)現(xiàn)對(duì)帆板的控制和轉(zhuǎn)角測(cè)量，能夠在小于規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對(duì)帆板轉(zhuǎn)角45°進(jìn)行精確且穩(wěn)定的控制，能夠在帆板與風(fēng)機(jī)直線距離為7～15 cm內(nèi)實(shí)現(xiàn)角度和距離的準(zhǔn)確測(cè)量與顯示，能在最短時(shí)間之內(nèi)使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定．

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