基于單片機(jī)的電動(dòng)空氣傘控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 鵬，戴詩(shī)斌，胡曉波，申傳健，丁 昊（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程系，安徽宣城，242000）

?

基于單片機(jī)的電動(dòng)空氣傘控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 鵬，戴詩(shī)斌，胡曉波，申傳健，丁 昊
（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程系，安徽宣城，242000）

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)雨傘體積大、質(zhì)量大、收起時(shí)滴水弄濕地板的問(wèn)題，一種靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)形成空氣屏障來(lái)避雨“空氣傘”便應(yīng)運(yùn)而生了。本文在實(shí)物的設(shè)計(jì)下提出一種基于單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)電動(dòng)空氣傘的控制系統(tǒng)，通過(guò)此控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空氣雨傘的無(wú)極調(diào)速以及能反饋給用戶(hù)實(shí)時(shí)的電量情況。這種經(jīng)典控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性以及快速性，通過(guò)其硬件和軟件的設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)空氣傘預(yù)期的功能，為空氣傘的后續(xù)設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：空氣傘；單片機(jī)；控制系統(tǒng)；硬件與軟件；設(shè)計(jì)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對(duì)各種方便性的科技產(chǎn)品要求迫切。我們平常用的雨傘的結(jié)構(gòu)比較脆弱，經(jīng)不起狂風(fēng)驟雨的打擊，總會(huì)被大風(fēng)吹得七零八落或者在人群中難免相互碰撞，當(dāng)拿著雨傘走進(jìn)室內(nèi)，還會(huì)把地板弄得濕漉漉的，所以一款新型雨傘——“空氣傘”的構(gòu)想便應(yīng)運(yùn)而生了。

與傳統(tǒng)雨傘相比，“空氣傘”是一把利用離心式葉輪的高速旋轉(zhuǎn)從進(jìn)風(fēng)口吸入空氣，通過(guò)葉輪給予流體足夠的壓力，再?gòu)某鲲L(fēng)口將空氣噴出，形成圓形空氣屏障，空氣屏障會(huì)和雨傘一樣阻擋雨滴。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)雨傘設(shè)計(jì)加以改進(jìn)并添加富有創(chuàng)造性的元素，“空氣傘”借助風(fēng)能為使用者擋雨。但是在設(shè)計(jì)電動(dòng)空氣傘的時(shí)候，考慮到葉輪高速旋轉(zhuǎn)可能會(huì)導(dǎo)致流體泄露過(guò)大，針對(duì)雨量的大小，如何調(diào)節(jié)空氣屏障的大小來(lái)滿(mǎn)足不同人數(shù)的避雨就需要設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定的空氣傘控制系統(tǒng)。

圖1 空氣傘的整體示意圖

本文的主要思路是基于STC12C5608AD單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)控制電路，對(duì)單片機(jī)中的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器編程使其并行I/O口輸出一定周期的方波傳遞給電調(diào)從而控制無(wú)刷電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明此種控制方式比較穩(wěn)定，葉輪振動(dòng)小，能有效的滿(mǎn)足實(shí)際需要。

1 控制系統(tǒng)的整體功能

1.1 控制系統(tǒng)的整理設(shè)計(jì)

本文采用經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)空氣雨傘的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。如下框圖2所示，電源直接為電調(diào)和單片機(jī)供電，電調(diào)作為直接控制無(wú)刷電機(jī)的控制元件，在其啟動(dòng)前先進(jìn)行設(shè)置。單片機(jī)輸出一定頻率的方波，方波代表油門(mén)信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速。

圖2 控制系統(tǒng)方框圖

1.2 控制系統(tǒng)的功能

該控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)葉輪的啟動(dòng)和停止，并且能實(shí)現(xiàn)葉輪的無(wú)極調(diào)速，能滿(mǎn)足不同人群的需求。其次，該系統(tǒng)還能判斷空氣傘電池電量，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器把電池電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)此信號(hào)判斷電池剩余電量并通過(guò)發(fā)光LED，就像充電寶一樣反饋給用戶(hù)。

2 電動(dòng)空氣傘控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本文根據(jù)空氣雨傘所要實(shí)現(xiàn)的功能和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，采用嵌套式控制方式，可以將整個(gè)控制系統(tǒng)分為MCU主控系統(tǒng) 、電量顯示和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

2.1 MCU主控系統(tǒng)

圖3單片機(jī)的時(shí)鐘引腳XTAL1作為時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。由該引腳向定時(shí)器/計(jì)數(shù)器輸入計(jì)數(shù)脈沖，并通過(guò)對(duì)片內(nèi)的16位定時(shí)器編程。這樣就可以在P2.1引腳輸出一定周期的方波。

圖4 電量顯示接線(xiàn)圖

并且單片機(jī)其他引腳連接LED液晶顯示屏。并且單片機(jī)利用查詢(xún)和中斷控制兩種方式讀取ADC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果，進(jìn)行判斷后顯示在液晶屏上來(lái)反映空氣傘剩余電量。

2.2 電量顯示和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

該空氣傘在功能設(shè)計(jì)時(shí)能顯示電池剩余電量。如圖4，當(dāng)共陽(yáng)極LED數(shù)碼管的發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。通過(guò)使其四個(gè)發(fā)光二極管亮來(lái)顯示剩余電量。

在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分，如圖5電源持續(xù)給電調(diào)供電，并且電調(diào)接受單片機(jī)I/O口產(chǎn)生的方波使電調(diào)的油門(mén)發(fā)生變化從而驅(qū)動(dòng)馬達(dá)使無(wú)刷電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)。

3 電動(dòng)空氣傘控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是在STC12C5608AD單片機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的。該單片機(jī)具有輸出可調(diào)頻率PWM和ADC功能，且IO數(shù)量足夠，體積小，運(yùn)行速度快，其實(shí)也可以選擇具備合適要求的同類(lèi)單片機(jī)。鋰電池充電方便，環(huán)境污染小，比容量大，所以選擇由高性能鋰電池供電，電壓可達(dá)將近12V，給無(wú)刷電機(jī)提供足夠時(shí)間和足夠強(qiáng)度的電流，以維持用戶(hù)長(zhǎng)時(shí)間使用，通過(guò)按鍵、電阻以及電容構(gòu)成邏輯電平輸入按下開(kāi)關(guān)讓三極管導(dǎo)通和關(guān)斷，也就是說(shuō)，只需一鍵開(kāi)關(guān)，使用非常方便。

程序原理方面：

圖3 MCU主控系統(tǒng)的引腳接線(xiàn)圖

圖5 驅(qū)動(dòng)電路接線(xiàn)圖

①PWR_MR=0，維持單片機(jī)供電，初始化設(shè)置單片機(jī)，開(kāi)啟調(diào)頻PWM并開(kāi)啟ADC功能。

②Know_Battery（），進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換，獲取電池電壓信息；Light_LED（），用LED顯示剩余電量。

③Scan_Key（），掃描按鍵，判斷用戶(hù)是否需要停機(jī)，如果是則令PWR_MR=1，關(guān)閉三極管使系統(tǒng)斷電。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新型創(chuàng)新型電動(dòng)空氣傘控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了其硬件和軟件的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。此系統(tǒng)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性、體積小和快速性的特點(diǎn)能夠滿(mǎn)足空氣傘技術(shù)上的要求，該空氣傘的創(chuàng)想能有效地方便人們的生活出行。

參考文獻(xiàn)

［1］ 王華.控制工程基礎(chǔ).北京航空航天大學(xué)出版社， 2011.

［2］ 張毅剛等.單片機(jī)原理及應(yīng)用.高等教育出版社， 2010.

［3］ 熊詩(shī)波等.機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ).機(jī)械工業(yè)出版社， 2012.

Design of Control System of Motor “Air Umbrella” Based on Singlechip Microcomputer

Wang Peng，Dai Shibin，Hu Xiaobo，Shen Chuanjian，Ding Hao
（Hefei University of Technology，Xuancheng Anhui，242000）

Abstract：Aiming at solving the problem of big volume，heavy weight ，as well as making the floor wet caused by traditional umbrella，a new "air umbrella" which is based on the motor driving rotor blades rotate to form air barrier has been proposed. Under the design of material object，this paper provides an electric control system of "air umbrella"based on single-chip microcomputer.And by this system，we can achieve the stepless speed regulation as well as figure out the battery case.This classic control system has strong stability and rapidity，and through the design of hardware and software，expected functions can be realized. Additionally，this system lays a foundation to the rest of the "air umbrella".

Keywords：Air umbrella；Single-chip microcomputer；Control system；Hardware and software； Design

基金項(xiàng)目：合肥工業(yè)大學(xué)2015年省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號(hào)為2015CXCYS103