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設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)帆板控制系統(tǒng),通過(guò)對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制,調(diào)節(jié)風(fēng)力大小,改變帆板轉(zhuǎn)角θ,如圖1所示。帆板形式及具體制作尺寸如圖2所示。

圖1 帆板控制系統(tǒng)示意圖

圖2 帆板制作尺寸圖

根據(jù)題目要求,設(shè)計(jì)任務(wù)要實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇和帆板之間的距離在一定范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí),在規(guī)定的時(shí)間內(nèi),自動(dòng)調(diào)節(jié)帆板達(dá)到通過(guò)鍵盤設(shè)定的預(yù)置轉(zhuǎn)角(下文簡(jiǎn)稱:預(yù)置參數(shù)),同時(shí)對(duì)控制過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并顯示。

設(shè)計(jì)思路:以AVR單片機(jī)為核心,采用閉環(huán)控制,角度傳感器檢測(cè)帆板的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度,單片機(jī)定時(shí)采集,與帆板預(yù)置參數(shù)進(jìn)行比較,生成調(diào)控風(fēng)扇電機(jī)PWM信號(hào);用LCD屏顯示預(yù)置參數(shù)、帆板的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、調(diào)節(jié)用的PWM信號(hào)及調(diào)控過(guò)程完成的時(shí)間等內(nèi)容。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

硬件概述

系統(tǒng)由以下幾個(gè)基本模塊組成:電源模塊、單片機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示與聲光報(bào)警模塊、鍵盤模塊和角度檢測(cè)模塊。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框圖

(1)控制模塊:采用AVR單片機(jī)控制;

(2)角度檢測(cè)模塊:采用ADXL345角度傳感器;

(3)風(fēng)扇類型:采用軸流式的電吹風(fēng)風(fēng)扇;

(4)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式:采用L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片;

(5)顯示模塊:用LCD1602液晶模塊進(jìn)行顯示;

(6)電源模塊:采用LM2576開(kāi)關(guān)型降壓穩(wěn)壓芯片。

角度檢測(cè)電路

角度傳感器選用三軸加速度計(jì)ADXL345。其輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式,可通過(guò)SPI(3線或4線)或I2C數(shù)字接口訪問(wèn)。對(duì)ADXL345的數(shù)據(jù)累計(jì)采樣50次,取其平均值作為結(jié)果,這種方法成功的解決了風(fēng)帆擺動(dòng)不穩(wěn)的難題。單片機(jī)依據(jù)該值大小與預(yù)置參數(shù)運(yùn)算,最后生成調(diào)節(jié)風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM信號(hào)。

ADXL345與單片機(jī)采用I2C模式通信,電路如圖4所示。角度檢測(cè)電路由IC1、IC3、R15、R16組成。

圖4 角度檢測(cè)電路

驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路,是一種為二相和四相電機(jī)配備的專用驅(qū)動(dòng)器,內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器,接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào),可驅(qū)動(dòng)雙電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)接線電路如圖5所示。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

在電路中,風(fēng)扇電機(jī)接在L298的OUTl、OUT2輸出端口上,控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的兩個(gè)輸入引腳,7腳通過(guò)電阻R4接在電源上,9腳直接接地??刂骑L(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM信號(hào),由單片機(jī)的PD5引腳輸出,通過(guò)隔離光耦I(lǐng)C5接在使能控制端8引腳上,L298輸出的通斷時(shí)間受控于PWM的變化,實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小,最終控制了吹動(dòng)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)力強(qiáng)弱。電路中的D1~D4起續(xù)流二極管作用。

聲光報(bào)警和按鍵電路

系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了聲光報(bào)警電路,見(jiàn)圖6所示。當(dāng)帆板旋轉(zhuǎn)到預(yù)置參數(shù)時(shí),由單片機(jī)控制其工作,并持續(xù)5秒鐘報(bào)警。它由電阻R5、R18、發(fā)光二極管D5、三極管Q1和揚(yáng)聲器LS1組成。當(dāng)單片機(jī)的PA5引腳輸出低電平信號(hào)時(shí),二極管發(fā)光,蜂鳴器發(fā)出聲音,實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。

圖6 聲光報(bào)警、鍵盤電路

系統(tǒng)中的按鍵功能是控制風(fēng)帆電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和設(shè)定帆板的轉(zhuǎn)角參數(shù)值。各鍵功能如下:

S1:起動(dòng)鍵,點(diǎn)動(dòng)后,電機(jī)起動(dòng);

S2:停止鍵,點(diǎn)動(dòng)后,電機(jī)停止;

S3:確認(rèn)鍵,首次操作,允許設(shè)定預(yù)置參數(shù),再次操作,退出,并存儲(chǔ)參數(shù)(預(yù)置參數(shù)存在單片機(jī)的EEPROM中);

S4:加1鍵,點(diǎn)動(dòng)1次,預(yù)置參數(shù)個(gè)位數(shù)值加1;

S5:加1鍵,點(diǎn)動(dòng)1次,預(yù)置參數(shù)十位數(shù)值加1。

電源

LM2576開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器的效率比三端線性穩(wěn)壓器要高的多,有優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力,其內(nèi)部含有頻率補(bǔ)償器和一個(gè)固定頻率振蕩器,可將外部元件數(shù)目減到最少且使用方便。電源電路如圖7所示。

圖7 電源電路

為了解決帆板在與風(fēng)機(jī)近距離且小角度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),其穩(wěn)定性不易精確控制的難題,我們采用可自動(dòng)跳變的雙電源,即供給L298芯片的主電源VCC_K有9V和20V兩種電壓。單片機(jī)根據(jù)預(yù)置參數(shù)的大小,控制三極管Q2驅(qū)動(dòng)繼電器K1,自動(dòng)切換兩種電源的輸出。

顯示電路略。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PWM算法設(shè)計(jì)

由于風(fēng)扇與帆板之間的距離d不固定,每次風(fēng)扇電機(jī)起動(dòng)時(shí),PWM先按最大值距離時(shí)預(yù)置參數(shù)對(duì)應(yīng)的PWM2值給定,當(dāng)控制帆板轉(zhuǎn)到預(yù)置參數(shù)值后,PWM值按下列公式計(jì)算出。

PWM=PWM2-((PWM2-PWM1)/K)×(θ1-θ2)

θ1=帆板轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)際角度值;

θ2=預(yù)置參數(shù);

PWM1最小距離時(shí)θ2對(duì)應(yīng)的PWM值(由實(shí)驗(yàn)獲得);

PWM2最大距離時(shí)θ2對(duì)應(yīng)的PWM值(由實(shí)驗(yàn)獲得);

K=d+13

PWM賦值范圍是0~255。

軟件流程設(shè)計(jì)

角度檢測(cè)單元

角度檢測(cè)單元主程序流程框圖見(jiàn)圖8所示,主要包括:

(1)初始化:I2C模式通信設(shè)置、定時(shí)器中斷等;

(2)采集判斷:采集完成標(biāo)志位有效,傳感器的數(shù)據(jù)保留;

(3)數(shù)據(jù)運(yùn)算:每次采集到實(shí)際角度的信息,線性化后轉(zhuǎn)換成可顯示的角度值;

(4)50次采集判斷:是否完成了50次角度數(shù)據(jù)采集;

(5)生成偏差量:實(shí)測(cè)帆板轉(zhuǎn)角與預(yù)置參數(shù)運(yùn)算,生成待調(diào)節(jié)的偏差量。

圖8 角度檢測(cè)單元主程序流程框圖

控制單元

控制單元主程序流程,主要包括初始化、起動(dòng)按鍵判斷與處理、停止按鍵判斷與處理、報(bào)警判斷與處理和設(shè)置參數(shù)判斷與處理等。

(1)初始化:主要包括引腳配置初始化、相關(guān)參數(shù)初始化等;

(2)起動(dòng)按鍵判斷與處理:按鍵有效,執(zhí)行電機(jī)起動(dòng)子程序(主要工作:讀出EEPROM中預(yù)置參數(shù),由PWM信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出,并累計(jì)控制過(guò)程的用時(shí));

(3)停止按鍵判斷與處理:按鍵有效,執(zhí)行電機(jī)停止子程序(主要工作:停止電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出,并清零累計(jì)控制過(guò)程的時(shí)間);

(4)報(bào)警判斷與處理:帆板轉(zhuǎn)到預(yù)置參數(shù)時(shí),執(zhí)行聲光報(bào)警子程序(主要工作:聲光報(bào)警,停止累計(jì)控制過(guò)程的用時(shí));

(5)設(shè)置參數(shù)判斷與處理:按鍵有效,執(zhí)行參數(shù)設(shè)定子程序(主要工作:實(shí)現(xiàn)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)的預(yù)置參數(shù)設(shè)定,并存儲(chǔ)保留參數(shù)值)。

測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

1.測(cè)試儀器:量角器、刻度尺、示波器、溫度計(jì)、數(shù)字萬(wàn)用表。

2.測(cè)試結(jié)果分析:經(jīng)反復(fù)測(cè)試,要達(dá)到分辨力為1°、絕對(duì)誤差≤3°、調(diào)整時(shí)間小于3秒、距離d在5cm~18cm 范圍可變、旋轉(zhuǎn)角度在0~20°之間變化時(shí),電機(jī)供電電壓應(yīng)為9V;當(dāng)風(fēng)帆轉(zhuǎn)角在21°~70°之間變化時(shí),電機(jī)供電電壓應(yīng)為20V。對(duì)應(yīng)的PWM數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 PWM數(shù)據(jù)

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