帆板角度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要 系統(tǒng)采用單片機(jī)(STC89C54RD)作為主要控制器件，采用HEDS9701槽型光耦加360線光柵片組成的編碼器獲取帆板的角度信息，由單片機(jī)實(shí)時(shí)采集編碼器的正交信號(hào)，從而獲得實(shí)際角度。根據(jù)實(shí)際角度和目標(biāo)角度數(shù)值，通過PID算法獲得控制參量，調(diào)整PWM的參數(shù)，從而控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)帆板的角度修正和動(dòng)態(tài)控制。
關(guān)鍵詞 單片機(jī)；角度控制；PID

    帆板控制系統(tǒng)，通過對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制，調(diào)節(jié)風(fēng)力大小，改變遮風(fēng)板轉(zhuǎn)角θ，顯示范圍為0°～60°，分辨力為2°，絕對(duì)誤差≤5°；當(dāng)間距d=7～15 cm時(shí)，通過操作鍵盤控制風(fēng)力大小，控制帆板轉(zhuǎn)角θ，θ在0°～60°，要求控制過程在5s內(nèi)完成，并實(shí)時(shí)顯示，且有聲光提示。如圖1所示。

1 總體方案確定
    帆板控制系統(tǒng)總體框圖主要由單片機(jī)、角度信息采集模塊、鍵盤輸入模塊、顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及電源模塊構(gòu)成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如圖2所示。

    (1)角度信息采集模塊：采用HEDS9701槽型光耦加360線光柵片組成的編碼器獲取帆板的角度信息，分辨率為1°，符合設(shè)計(jì)要求，且已經(jīng)是數(shù)字信號(hào)，無需通過A／D采用模塊輸入單片機(jī)系統(tǒng)，穩(wěn)定可靠。
    (2)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：選用直流電機(jī)風(fēng)扇，工作電流1．2 A，工作電壓12 V。經(jīng)測(cè)試，風(fēng)力能將帆板吹至約80°。采用單片機(jī)STC89C54作為主控芯片，通過編碼器輸出的正交信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，通過PWM方式控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)帆板的角度控制。
    (3)控制系統(tǒng)的選擇：選用STC89C54作為主控器件，STC系列單片機(jī)是紅星科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘、機(jī)器周期(IT)單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。

2 理論分析與計(jì)算
2．1 角度信號(hào)的產(chǎn)生與計(jì)算
    角度通過編碼器輸出的正交信號(hào)進(jìn)行計(jì)算獲得。如圖3所示，A、B分別是傳感器輸出的兩路正交信號(hào)。

    如表1所示，正交信號(hào)A和B共同組成了4種情況，如當(dāng)前A為1；B為0時(shí)；信號(hào)變?yōu)锳為0；B為0，則帆板往反方向轉(zhuǎn)，角度減少1°；信號(hào)變?yōu)锳為0，B為1，則帆板往正方向轉(zhuǎn)，角度增加1°；以此類推，正反方向各共有4種情況。
2．2 PID控制直流電機(jī)算法介紹
    設(shè)計(jì)采用PI轉(zhuǎn)速控制，PI控制實(shí)現(xiàn)采用常規(guī)方法，并包含了一個(gè)(Kc*Excess)項(xiàng)以抑制積分飽和，如圖4所示。

    相應(yīng)程序?yàn)?br />    

3 硬件電路設(shè)計(jì)
3．1 電源模塊
    采用開關(guān)電源12 V作為直流電源，經(jīng)過電容濾波、7805穩(wěn)壓后得到+5 V電壓，提供給單片機(jī)、存儲(chǔ)器24C02的供電，如圖5所示。

3．2 風(fēng)扇控制電路
    圖6為風(fēng)扇控制電路，F(xiàn)S-和+12 V接風(fēng)扇，當(dāng)P23為0時(shí)，Q2截止，Q1導(dǎo)通，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)P23為1時(shí)，Q2導(dǎo)通，Q1截止，電機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)。

3．3 顯示按鍵電路
    如圖7所示，系統(tǒng)由兩組4位共陰數(shù)碼管和4個(gè)按鍵組成，DPY1顯示測(cè)得的角度，DPY2顯示設(shè)定或改變的角度。4個(gè)按鍵分別為設(shè)定鍵，啟動(dòng)／停止鍵，-1鍵和+1鍵。74LS145為4線-10線譯碼器／驅(qū)動(dòng)器，A、B、C、D連單片機(jī)P00～P03，0～9分別連接兩組數(shù)碼管、鍵盤和發(fā)光二極管，其中數(shù)碼管的位控制和按鍵是共用的。74HC164是串行并出移位寄存器，提供接數(shù)碼管的段碼信號(hào)。

4 軟件部分
    總程序流程圖如圖8所示，程序采用模塊化設(shè)計(jì)，分成幾部分的獨(dú)立子程序。首先是按鍵判斷子程序，采用矩陣式按鍵的掃描方式來編寫程序，當(dāng)有鍵按下時(shí)把相應(yīng)的鍵值存儲(chǔ)在RAM中，主程序根據(jù)鍵值來判斷執(zhí)行哪一段程序。設(shè)定數(shù)據(jù)有兩種，一種是設(shè)定P值0～100％，對(duì)應(yīng)帆板的角度，另外一種是設(shè)定A在0°～60°，同樣，帆板的轉(zhuǎn)角也會(huì)到達(dá)相應(yīng)的設(shè)定值，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示處理，然后調(diào)整PI值進(jìn)行風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制輸出，如果帆板進(jìn)入設(shè)定值的絕對(duì)值5°內(nèi)，則紅色發(fā)光二極管閃亮3次，同時(shí)蜂鳴器響3下；如果沒有進(jìn)入，則發(fā)光二極管不亮、蜂鳴器不響。

    T0中斷是數(shù)據(jù)顯示和按鍵檢測(cè)、PWM數(shù)據(jù)處理、蜂鳴器輸出程序。如圖9所示。

    T1中斷是正交編碼器信號(hào)檢測(cè)和處理程序，如圖10所示。

    T2中斷產(chǎn)生PWM，脈寬調(diào)整。如圖11所示。

5 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試結(jié)果
    (1)用手轉(zhuǎn)動(dòng)帆板，能顯示帆板的轉(zhuǎn)角度數(shù)。角度范圍為0°～60°，分辨力為1°，經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)誤差值為0°。(2)當(dāng)間距d=7～15 cm時(shí)，通過操作鍵盤控制風(fēng)力大小，控制帆板轉(zhuǎn)角θ，θ在0°～60°，要求控制過程在5 s內(nèi)完成，并實(shí)時(shí)顯示，且有聲光提示。

6 結(jié)束語
    經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，帆板角度控制屬于自動(dòng)化控制類，設(shè)計(jì)采用槽型光耦加360線光柵片組成的傳感器能精確定位角度，是一種良好的角度控制傳感器，再利用PID算法控制PWM參量，從而控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。