帆板控制系統設計

安徽商貿職業技術學院 王松林

帆板控制系統設計

安徽商貿職業技術學院 王松林

論文介紹基于STC89C52單片機的帆板角度控制系統，系統可以利用風扇控制裝置對帆板角度進行控制，并通過LCD12864實時顯示角度變化。還可依據設定的帆板角度信息智能控制風扇轉速，在很短時間內（5秒以內）動態調整帆板擺角，同時實時顯示帆板角度等信息。系統包括：單片機主控模塊、角度信號采集模塊、鍵盤輸入模塊、顯示模塊、電源模塊、風扇電機驅動模塊。系統主控模塊采用性價比高的單片機最小系統；選用ADXL345加速度傳感器完成系統角度信號采集功能；利用LCD12864實時顯示角度變化的信息，5*6矩陣鍵盤完成風力等級和角度設定的輸入；系統電源模塊采用兩路穩壓輸出電路（5v、15v），提供控制系統與風扇電機的工作電源；風扇電機采用L298N模塊驅動。本系統制作成本較低、工作性能控制穩定，能很好達到設計要求。

STC89C52；加速度傳感器；LCD12864；L298N

一、引言

單片機又稱單片微控制器，單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優點，廣泛應用于儀器儀表中，結合不同類型的傳感器，可實現諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度等物理量的測量。本系統就是以單片機為核心建立起來的，要實現對帆板轉角大小的控制，其歸根就是對風扇的控制，帆板的轉角隨著風扇風力的變化而變化，角度傳感器給單片機不同的角度檢測信號，經單片機處理后在LCD液晶上顯示，同時給出聲光提示。系統體現了模塊化的設計理念，將單片機和各個器件結合在一起，完成系統化的設計，充分發揮了單片機的可靠性、可操作性和強大處理功能。[1-2]

二、系統方案

(一)方案論證與比較

1.主控電路

方案一：采用可編程邏輯器件FPGA作為控制器。FPGA可以實現各種復雜的邏輯功能，IO資源豐富，易于進行功能擴展。但本系統不需要復雜的邏輯功能，且從使用、功耗及經濟的角度考慮我們放棄了此方案[3]。

方案二：STC89C52單片機采用STC89C52單片機作為主控器，其算術功能強，軟件編程簡潔靈活、自由度大，可用軟件編程實現各種邏輯控制功能，且其功耗低、技術成熟，成本低廉。本系統主要是進行信號的處理以及風扇電機的控制。

綜合考慮，本系統設計的功能依靠51單片機均可實現，故采用方案二。

2.角度傳感器的選用

方案一：用UZZ9001Y與KMZ41連接構成一個角度測量系統。電路組成繁瑣，制作較困難，穩定性較差。

方案二：傾角傳感器。該集成芯片為專用的水平傾角測量芯片，具有體積小、靈敏度高等優點，但是輸出為模擬信號，需要用到DA轉換，操作間為復雜，且占用I/O口較多，不利于本統功能模塊的操作。

方案三：用ADXL345數字加速度傳感器。ADXL345是一款小而薄的超低功耗的3軸加速度計，可測量帆板在斜面所受重力加速度在斜面上的分量，進而轉換成傾斜角，測量精度較高。ADXL345輸出信號為數字信號，避免了A/D轉換，操作簡單；此外ADXL345只需用到兩個I/O口，占用資源少，能滿足本設計的要求。

本系統選擇了第三種方案。

3.按鍵選用

方案一：采用獨立鍵盤。多個使用時，線路連接不便，操作繁瑣。

方案二：采用5*6的距陣鍵盤，可輸入的值比較多，可設定的功能也多。

在本系統中需要多個鍵，系統選擇了第二種方案。

4.顯示

方案一：使用數碼管顯示。要完成功能電路的顯示需要多個數碼管，此方案占用I/O口多，連接不便，顯示效果差，功耗大。

方案二：用LCD1602液晶顯示。1602是一種專門用于顯示字母、數字、符號等點陣式，1602分為上下2行，每行顯示16個字符。驅動簡單，但不能顯示漢字。

方案三：用LCD12864液晶顯示。LCD12864功能強大，不僅能顯示字母、數字、符號，還可以顯示漢字和圖形，最多可顯示4行，每一行最多顯示8個中文，16個半寬字體。(最好選用帶字庫的，方便編寫程序。)LCD12864和LCD1602使用方法類似，驅動簡單，耗電量小，無輻射危險，顯示直觀、抗干擾能力強，但體積較大。

表1 系統要求測試

本系統選擇了第三種方案。

5.電機的驅動

方案一：用分立元件構成的H橋電路利用分立三極管元件構成的H橋電路結構簡單，但驅動能力有限，所帶負載不可過大。

方案二：采用L298N集成H橋芯片。在L298N集成芯處中集成了兩套H橋電路，可直接驅動兩路直流電機，利用單片機產生的PWM信號，可方便地進行電機調速。

方案三：用ULN2003功率放大器件。ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列，由七個硅NPN達林頓管組成。通過使用不同的放大電路和不同參數的器件，可達到不同的放大的要求，放大后能得到較大的功率。

本系統設計采用方案二。

6.風扇

方案一：用普通的散熱風扇。風力小，風力流失大，很難達到系統要求。

方案二：用帶通風通道的風扇。風力集中，流失小，能很好的吹動帆板。

本系統設計采用方案二。

7.電源

方案一：自制穩壓電源。采用變壓器與三端穩壓器相結合，使220V電壓經變壓器變壓，降為系統所需電壓，過整流橋并利用兩個大的電容濾波，從而得到較為穩定的直流電壓。自制電源體積大，需接入220V電壓，電壓不穩定，使用不方便。

表2 按鍵控制風力等級測試

圖2-1 總體框圖

圖4-1 主控電路

圖4-2 風扇控制

圖4-3 顯示模塊

圖4-4 聲光提示模塊

圖4-5 傳感器模塊

圖4-6 風扇控制算法

圖4-7 聲光提示算法

圖4-8 系統流程圖

方案二：三塊6V蓄電池串聯供電。直接選用所需型號蓄電池，能量足，供電穩定，高低溫適應性強。

本系統選用第二種方案。

(二)總體設計方案

系統功能的實現，以STC89C52單片機為核心，在單片機系統實現的輸入輸出和顯示功能的基礎上，由單片機的內置邏輯和運算功能，加上外圍電路得以實現。根據設計任務要求，該電路的總體框圖可分為幾個基本的模塊，總體框圖如下圖2-1所示。

三、理論分析與計算

(一)距離計算

帆板尺寸：長15cm，寬10cm。風扇到帆板的距離：7~15cm。本系統帆板轉軸直徑0.5cm。

(二)角度計算

帆板轉角：0~60度。

帆板轉角測量原理：風扇吹動帆板轉動，產生帆板角度變化，利用ADXL345數字加速度傳感器測出三維坐標x、y、z的變化，將加速度傳感器固定在帆板上，從而通過固定y，利用x、z的關系求出角度。角度θ=(180*atan(temp z/temp x))/3.14。角度的測量范圍是0-90°，可以滿足系統要求[4]。

(三)控制算法

首先利用鍵盤控制風扇的轉速，使帆板能夠偏轉一定的角度，再利用加速度傳感器測出帆板的角度，送顯示電路顯示。具體控制算法采用C語言編程實現。

四、電路與程序設計

(一)硬件設計

1.主控電路

系統采用STC89C52單片機構成主控制電路，電路如圖4-1所示。

2.風扇控制

風扇電機選用L298N模塊驅動，并由4*4按鍵矩陣控制PWM，改變電機速度，達到控制風扇風力大小的目標。L298N驅動模塊如下圖4-2所示。

3.顯示模塊

使用LCD12864顯示，如下圖4-3所示。

4.聲光提示模塊(如圖4-4)

5.傳感器模塊(如圖4-5)

(二)軟件設計

1.風扇控制算法設計

風扇控制算法如下圖4-6所示。

2.聲光提示算法設計

聲光提示算法如下圖4-7所示。

3.系統流程圖

整個系統程序流程圖如圖4-8所示。

五、系統測試

(一)測試方法與儀器

利用四位半數字萬用表、秒表、量角器等設備通電對系統進行測試。

(二)測試結果

1.功能要求測試見表1。

2.按鍵控制風力等級測試見表2。

(三)測試結果分析

本系統總體性能良好。但是也有不足的地方，由于帆板擺動大的問題，當系統工作時，影響到轉角實際測量的精確性。這個地方有待改進。

六、設計總結

系統設計過程中，很多知識點在理論上完全理解了，但到具體的電路設計與實現中，會出現很多一時無法理解的問題，要通過不斷測試修改軟硬件，才能用理論來指導實踐，進一步深入理解理論。

[1]郭天祥.51單片機C語言教程[M].北京:電子工業出版社,2009.

[2]孫岐峰,杜鋒.基于A Tmega16帆板控制系統設計與實現[J].現代電子技術,2012,35(17):189-191.

[3]王永喜,胡玫.基于單片機的帆板自動控制系統設計與實現[J].自動化與儀器儀表,2012,4:67-68.

[4]羅樂.基于STC12C60S2單片機的帆板控制系統設計[J].重慶理學院學報(自然科學版),2012,4(31):30-36.

本文系2011年安徽商貿職業技術學院院級質量工程項目“特色專業-應用電子技術專業”階段性研究成果。

王松林（1980—），男，工學碩士，安徽無為人，安徽商貿職業技術學院講師，研究方向：電子學，物聯網技術應用。