基于STC12C5A60S2的帆板控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，利用單片機(jī)控制風(fēng)扇完成對帆板轉(zhuǎn)角的控制。該系統(tǒng)主要模塊有單片機(jī)控制模塊，人機(jī)交互模塊、角度檢測模塊、風(fēng)扇控制調(diào)速模塊、電源模塊、聲光報警模塊。由角度傳感器測得帆板角度并反饋給單片機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制模塊構(gòu)成風(fēng)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，利用單片機(jī)產(chǎn)生的PWM控制風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動模塊，從而實現(xiàn)角度的精準(zhǔn)控制。
關(guān)鍵詞：帆板控制系統(tǒng)；STC12C5A60S2；角度傳感器；PWM

    單片機(jī)作為微控制器的一種，廣泛應(yīng)用于日常生活。該課程由于其綜合性和實踐性較強(qiáng)，涉及知識較多，對培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)的硬件、軟件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計的能力，學(xué)生分析問題，解決問題的能力，高職學(xué)生職業(yè)技能，實踐創(chuàng)新能力有重要的作用，為從事自動控制及應(yīng)用電子產(chǎn)品的檢測、設(shè)計奠定基礎(chǔ)。本文來源于2011年全國電子設(shè)計競賽F題，設(shè)計實現(xiàn)帆板控制系統(tǒng)。系統(tǒng)要求通過鍵盤預(yù)置角度，利用風(fēng)扇風(fēng)力大小控制帆板轉(zhuǎn)角，并實時顯示。本題涉及了角度檢測、電機(jī)驅(qū)動、PWM、閉環(huán)控制、AD轉(zhuǎn)換等單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)，是帆板自主航行系統(tǒng)中重要的組成部分。

1 系統(tǒng)方案描述
    根據(jù)要求，本系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、人機(jī)交互模塊、風(fēng)扇控制模塊、角度檢測模塊、聲光報警模塊、系統(tǒng)電源6大模塊構(gòu)成，具體框圖如圖1所示。

1．1 微處理器模塊
    采用STC公司的STC12C5A60S2單片機(jī)作為微處理器。
    該單片機(jī)為增強(qiáng)型51單片機(jī)，具有高速、低功耗及超強(qiáng)抗干擾等特點，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)換器(速度達(dá)25萬次／秒)，非常符合系統(tǒng)要求。
1．2 角度檢測模塊
    采用MMA7361加速度角度傳感器測量角度。加速度角度傳感器是通過測量由于重力引起的加速度計算出器件相對于某一平面的傾斜角度。角度傳感器反應(yīng)靈敏、輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且價格適中。利用加速度傳感器進(jìn)行角度測量分為3種：單軸傾角測量、雙軸傾角測量和三軸傾角測量。本次設(shè)計中，由于只要測量帆板與豎直方向夾角，故選用單軸傾角測量。單軸傾角測量的原理如圖2所示，單個軸(即x軸)通過重力旋轉(zhuǎn)。

    由于本方法近僅使用單個軸且要求重力矢量，僅當(dāng)器件具有特定方向且x軸始終具有處于中心面時，算出的傾角才能準(zhǔn)確。根據(jù)基本三角原理，x軸上的重力矢量投影會產(chǎn)生等于加速度計x軸與水平線夾角正弦值的輸出加速度。水平線通常為與重力矢量垂直的平面。在重力為理想值1 g時，輸出加速度為：
    AX．OUT[g]=lgxsin(φ)
    在實際使用中，查閱所用傳感器MMA7361技術(shù)手冊及利用加速度傳感器測量角度的原理，可得輸出電壓與測量角度的關(guān)系為：
   
    其中，VOUT表示加速度傳感器的輸出電壓，VOFFSET表示重力加速度為0 g加速度傳感器的偏移量，表示加速度傳感器的靈敏度，1 g表示地球上的重力加速度，θ表示偏轉(zhuǎn)角度。
    所以，可以得到角度值為：

    角度檢測電路圖如圖3所示。經(jīng)角度檢測模塊輸出角度模擬量，經(jīng)單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換并經(jīng)上式計算后就可以得到所測角度值。

1．3 風(fēng)扇控制模塊
    PWM(脈寬調(diào)制)是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法，利用微處理器的數(shù)字輸出對模擬電路進(jìn)行控制的一非常有效的技術(shù)。相比電壓調(diào)速的方法，PWM調(diào)速具有精度高，易于控制等優(yōu)點，同時選用的微控制器集成了PCA模塊，可直接輸出PWM，方便使用。
    本系統(tǒng)利用直流電動機(jī)驅(qū)動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，電機(jī)驅(qū)動芯片MC33886是單片集成的H橋元件，適用于驅(qū)動小功率直流電機(jī)。本電路選擇了MC33886的全橋工作方式，采用單片工作時，驅(qū)動電路的溫度會非常高，有時溫度會超過MC33886自我保護(hù)的最高溫度導(dǎo)致驅(qū)動停止工作。為了解決這一問題，將兩片完全相同的MC33886并聯(lián)，發(fā)現(xiàn)溫度得到了有效控制，電路的驅(qū)動能力也得到了進(jìn)一步的提高。電路如圖4所示。

    為了精確控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制帆板角度的目的，本系統(tǒng)由單片機(jī)通過角度檢測模塊得到帆板的實際轉(zhuǎn)角，與預(yù)置轉(zhuǎn)角比較，經(jīng)PI控制器，輸出可調(diào)的PWM信號，再驅(qū)動直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而形成風(fēng)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，即負(fù)反饋控制。電機(jī)調(diào)速模塊框圖如圖5所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件主要由主程序及各子程序完成。在主程序模塊中，需要完成對各參量和接口的初始化、PCA模塊初始化、液晶屏初始化以及角度采集、鍵盤掃描、主循環(huán)等工作。主程序流程圖如圖6(a)所示。在風(fēng)扇速度控制中，本系統(tǒng)采用增量式PI算法，具體流程圖如圖6(b)所示。

3 結(jié)論
    文中設(shè)計的帆板控制系統(tǒng)能夠較好地完成帆板角度測量及控制任務(wù)。其中STC12C5A60S2單片機(jī)非常適合高職學(xué)生單片機(jī)入門學(xué)習(xí)，同時，該系統(tǒng)角度閉環(huán)PID控制系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確的實現(xiàn)角度的調(diào)節(jié)，整個系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，人機(jī)交互界面設(shè)計友好，且所用器件少，電路簡單，性價比高。