一種新的高精度帆板傾角控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

楊 波 鄧彬偉 李 灤 邱云翔

(黃石理工學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北黃石435003)

傳感器在現(xiàn)代信息技術(shù)中起著重要的作用，系統(tǒng)在進(jìn)行處理和決策時(shí)必須由傳感器來獲取必要的原始信息[1]，傳感器的性能極大的影響和決定了系統(tǒng)的性能。本設(shè)計(jì)以MSP430F149 為控制核心[2-4]、以 SCA103T-D05高精度傾角傳感器為角度探測(cè)器，采用直流電機(jī)和專門設(shè)計(jì)的風(fēng)道，并通過按鍵控制對(duì)帆板角度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與顯示。系統(tǒng)性能穩(wěn)定、控制精準(zhǔn)、設(shè)計(jì)新穎，經(jīng)專家測(cè)試和評(píng)審獲得2011年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽全國(guó)一等獎(jiǎng)并獲得湖北省“TI”杯。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為控制核心，高精度SCA103T-D05傾角傳感器為傾角探測(cè)器[1，5]，采用直流電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，通過操作矩陣鍵盤控制風(fēng)力大小，使帆板轉(zhuǎn)角θ能夠在0～60°范圍內(nèi)變化，并通過液晶12864實(shí)時(shí)顯示帆板轉(zhuǎn)角大小，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 設(shè)計(jì)方案論證

1.2.1 傾角測(cè)量模塊

方案1:采用陀螺儀ENC-03M角速度傳感器，它是一種應(yīng)用科氏力原理的角速度傳感器，可輸出一個(gè)和角速度成正比的模擬電壓信號(hào)，體積小，響應(yīng)快。但測(cè)量精度較低，分辨力只能達(dá)到10°左右，不能滿足設(shè)計(jì)要求，故不采用此方案。

方案2:采用 MMA7455數(shù)字加速度角度傳感器。低功耗，輸出精確，具有信號(hào)調(diào)理、低通濾波、溫度補(bǔ)償、自測(cè)以及快速運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等功能。但其分辨力較差，很難滿足精度要求。

方案3:采用SCA103T傾角傳感器。設(shè)計(jì)穩(wěn)健、高沖擊強(qiáng)度、耐久性高，且具有極高的精準(zhǔn)度和極低的溫度依賴性，并且提供SPI數(shù)字接口[6]，可以直接讀取采集到的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便。

通過以上分析，選擇方案3。

1.2.2 電機(jī)模塊

方案1:采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)扭力較大，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。但轉(zhuǎn)速太慢，達(dá)不到系統(tǒng)要求。

方案2:采用直流電機(jī)，直流電機(jī)能提供較高的轉(zhuǎn)速，噪音小，性價(jià)比高且外圍硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于實(shí)際操作。

通過以上分析，選擇方案2。

1.2.3 風(fēng)向控制模塊

方案1:采用圓筒形風(fēng)罩，可使風(fēng)力集中作用在帆板上，提高風(fēng)力利用率，但不能提高風(fēng)向穩(wěn)定性。

方案2:采用百葉窗形風(fēng)罩，一方面可使風(fēng)力集中作用在帆板上，另一方面可調(diào)整風(fēng)向，使風(fēng)向由螺旋型轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗷テ叫行?，使帆板均勻受力，提高了帆板的穩(wěn)定性。

通過以上分析，選擇方案2。

2 理論分析與計(jì)算

2.1 角度測(cè)量原理

本設(shè)計(jì)采用 SCA103T傾角傳感器，其測(cè)量范圍是 ±30°，要求的測(cè)量范圍為0～60°。因此本設(shè)計(jì)將傾角傳感器與帆板成60°角固定在轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)帆板偏轉(zhuǎn)角為0°時(shí)，傾角傳感器與水平面成-30°;當(dāng)帆板偏轉(zhuǎn)90°時(shí)，傾角傳感器與水平面成+30°。

具體測(cè)量轉(zhuǎn)換根據(jù)公式(1):

式(1)中，α表示傾角;LSB指數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)是低位在前;Dout是單片機(jī)采集到的傳感器12位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù);Dout@0°指的是傾角傳感器在水平時(shí)輸出的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)值;Sens[LSB/g]指傾角傳感器標(biāo)準(zhǔn)靈敏度，對(duì)于SCA103T-D05值為3277，其中g(shù)指重力加速度。

2.2 風(fēng)扇控制及控制算法

首先將60°分為12等分，通過實(shí)驗(yàn)找出每一等分所對(duì)應(yīng)的占空比，得到一個(gè)數(shù)據(jù)表格。鍵入設(shè)定值后，用查表法得出對(duì)應(yīng)的占空比以實(shí)現(xiàn)粗調(diào)。傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前帆板偏角，利用逐次遞進(jìn)法實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)校驗(yàn)狀態(tài)，保存當(dāng)前度數(shù)所對(duì)應(yīng)的占空比，得到一個(gè)新的數(shù)據(jù)表，以便下次調(diào)用，從而快速精確達(dá)到設(shè)定的效果。

3 電路與程序設(shè)計(jì)

電路與程序設(shè)計(jì)分為風(fēng)扇控制電路設(shè)計(jì)與計(jì)算、軟件設(shè)計(jì)和整體電路設(shè)計(jì)。

3.1 風(fēng)扇控制電路設(shè)計(jì)與計(jì)算

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊如圖2所示。驅(qū)動(dòng)電路由光耦、L298N、二極管構(gòu)成。其中 L298N專用于驅(qū)動(dòng)集成電路，可以驅(qū)動(dòng)大功率的直流電機(jī)，在電路中加入二極管的作用是在產(chǎn)生反向電流時(shí)進(jìn)行泄流，保護(hù)芯片安全。L298N的輸入端可與單片機(jī)直接相連。為了避免電機(jī)對(duì)單片機(jī)的干擾，L298N模塊加入光耦，進(jìn)行光電隔離，從而使系統(tǒng)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

圖3 軟件流程

電機(jī)的額定電流I=0.5 A;

電路中電阻R=24 Ω;

電機(jī)有效電壓最大值U=12V;

由歐姆定律得通過電機(jī)的最大電流I=U/R=12V/24 Ω =0.5 A。

3.2 軟件設(shè)計(jì)流程

軟件流程如圖3所示。

4 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

4.1 測(cè)試儀器

測(cè)試儀器有:秒表、量角器、直尺。

4.2 系統(tǒng)測(cè)試方法及測(cè)試數(shù)據(jù)

將量角器固定在支架上，以便于直接讀出實(shí)際轉(zhuǎn)角。先手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)帆板，觀察實(shí)際轉(zhuǎn)角與顯示轉(zhuǎn)角。然后利用鍵盤輸入一個(gè)角度，通過單片機(jī)對(duì)電機(jī)控制調(diào)節(jié)帆板的轉(zhuǎn)角。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，再測(cè)量帆板實(shí)際轉(zhuǎn)角，與顯示屏上的度數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以此來驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

4.3 測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)量結(jié)果表明在不同的距離下都能實(shí)現(xiàn)高精度，最大誤差為2°;響應(yīng)速度快，到達(dá)設(shè)定的最長(zhǎng)時(shí)間為3.1 s，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

表1 帆板轉(zhuǎn)角測(cè)試數(shù)據(jù)

續(xù) 表

5 總結(jié)

為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將固定帆板的支架設(shè)計(jì)成三角形，可減小因風(fēng)力作用造成的帆板晃動(dòng)，將固定帆板的支架與固定電機(jī)的支架分開，可減小電機(jī)的震動(dòng)對(duì)帆板的影響。在風(fēng)扇前加了一個(gè)整流風(fēng)罩，可使風(fēng)力平行均勻的作用在帆板上，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。經(jīng)過測(cè)試，傾角傳感器的測(cè)量范圍為0～60°。分辨力為0.01°，帆板能夠在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的角度，測(cè)量的絕對(duì)誤差在2°以內(nèi)。

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