基于SCA60C的帆板角度自動調(diào)整系統(tǒng)的研究

劉燎原

LIU Liao-yuan

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息電子工程學(xué)院，徐州 221116）

0 引言

角度自動調(diào)整，是指物體可以自動調(diào)整到系統(tǒng)所需要的角度以實現(xiàn)物體精確定位，這在航空航天、航海、汽車駕駛、數(shù)控加工等現(xiàn)實生活領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用。這涉及到單片機(jī)和傳感器技術(shù)的綜合應(yīng)用，單片機(jī)是系統(tǒng)的控制核心，傳感器為系統(tǒng)提供進(jìn)行處理和決策所必需的原始信息，我們把單片機(jī)和傾角傳感器結(jié)合起來，就可以實現(xiàn)一般領(lǐng)域的角度自動調(diào)整控制。本文以航海領(lǐng)域的帆板的角度控制為研究對象，設(shè)計了一種模擬的帆板控制系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計

該系統(tǒng)要求設(shè)計一個模擬的帆板控制系統(tǒng)，如圖1所示。用風(fēng)扇模擬風(fēng)，通過對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制來實現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)力大小，從而來改變帆板轉(zhuǎn)角θ。本系統(tǒng)要求風(fēng)扇和帆板的距離d為10cm時，可以通過操作鍵盤控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，使帆板轉(zhuǎn)角θ能夠在0～60°范圍內(nèi)變化，并且能夠?qū)崟r顯示帆板的轉(zhuǎn)角θ；還可以通過操作鍵盤，讓帆板在很短時間內(nèi)穩(wěn)定在某個角度。

圖1 帆板控制系統(tǒng)

根據(jù)設(shè)計的基本要求，設(shè)計任務(wù)主要完成的是帆板轉(zhuǎn)動到不同的角度，能實時顯示出角度的大小，并能夠通過鍵盤來控制風(fēng)力的大小，以實現(xiàn)帆板的角度在要求的范圍內(nèi)變化，最后能穩(wěn)定在某個角度。為實現(xiàn)相應(yīng)的功能，本系統(tǒng)可以分為以下幾個部分：單片機(jī)主控模塊、電扇模塊、角度傳感器檢測模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、鍵盤輸入模塊、聲光報警模塊，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī)作為主控芯片，通過L298驅(qū)動模塊驅(qū)動電扇轉(zhuǎn)動，使用傾角傳感器SCA60C檢測帆板轉(zhuǎn)動的角度，再由AD0832轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)，通過數(shù)學(xué)公式轉(zhuǎn)換為角度值，選用LCD1602液晶屏實時顯示角度。本系統(tǒng)通過改變PWM波的占空比實現(xiàn)調(diào)整風(fēng)力大小，采用4×4矩陣鍵盤實現(xiàn)鍵盤控制，可以實現(xiàn)帆板角度的增加、減小、角度預(yù)置等操作。

2.1 傾角傳感器

傾角傳感器是用來檢測帆板的傾角，它的基本型號為模擬輸出和數(shù)字輸出。數(shù)字輸出的傳感器能輸出數(shù)字信號，但成本較高，且非常敏感，電路的波動或是器件的振動對輸出值的精度都有非常大的影響，溫度對它也有一定的影響。采用模擬輸出的傳感器，成本低，長期穩(wěn)定性好，適合在各種環(huán)境較差的場合角度。模擬輸出的信號可以經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成適合單片機(jī)的數(shù)字信號。所以我們采用了模擬傾角傳感器SCA60C。

SCA60C是芬蘭原裝的高精度單軸傾角傳感器[1]P54，可用在一些控制類的角度精確度比較高的情況，比如平衡小車、單擺系統(tǒng)等。它測量范圍1g(±90度)，單極5V供電，比例電壓輸出，0.5V-4.5V模擬電壓輸出。它的優(yōu)勢是抗沖擊能力強(qiáng)，能耗低。SCA60C實際上是一個加速度計，內(nèi)部由一個硅微傳感器和信號處理芯片組成；SMD形式封裝，通過測量地球引力在測量方向上的分量，再將其轉(zhuǎn)換為傾斜角度。所測物體的角度和輸出電壓的關(guān)系曲線如下圖3所示，公式近似為：α=arcsin（0.5Vout-1.25），α為所測物體的角度，Vout為傾角傳感器的輸出電壓。

圖3 轉(zhuǎn)角方向

在實際使用中，我們把SCA60C固定在帆板的軸上，只用到了SCA60C芯片的3個管腳，如圖4所示。其中4腳接地，8腳接5V電源，7腳為輸出端口，能輸出模擬的電壓信號，在地與電源之間要接一個47nF的濾波電容，保證電源的穩(wěn)定性。通過測量輸出電壓信號的大小，根據(jù)公式估算出傾角的大小。

圖4 角度傳感器的使用管腳圖

2.2 PWM調(diào)速模塊

PWM調(diào)速[2]P168是指利用大功率晶體管的開關(guān)特性來調(diào)制固定電壓，按一個固定的頻率導(dǎo)通和斷開，根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“導(dǎo)通”和“斷開”時間的長短，即改變直流伺服電動機(jī)電樞上電壓的“占空比“。我們引進(jìn)電壓平均值Uav，它可用下式表示：Uav=ton*Us/T=aUs.式中ton為開關(guān)每次接通的時間，T為開關(guān)通斷的時間周期，a為占空比，a=ton/T。由上式可見，改變脈沖的占空比，電動機(jī)兩端的電壓平均值也隨之改變，因而也就控制了電動機(jī)轉(zhuǎn)速。改變占空比有兩種調(diào)制方法，一種是脈沖寬度調(diào)制，縮寫為PWM;另一種方式是脈沖頻率調(diào)制，縮寫為PFM。目前，直流電動機(jī)的控制中，以應(yīng)用PWM控制方式為主, 它是指開關(guān)周期恒定，通過改變導(dǎo)通脈沖寬度來改變占空比的。本設(shè)計中是利用軟件來產(chǎn)生PWM波，在周期恒定的情況下，通過改變高電平的時間來改變占空比的。

PWM波要經(jīng)過放大后輸送給風(fēng)扇，我們采用計算機(jī)的散熱風(fēng)扇來模擬風(fēng)力，采用L298為驅(qū)動芯片[3]P87。L298是雙H橋高電壓大電流功率集成電路，可用來驅(qū)動繼電器、線圈、直流電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)等電感性負(fù)載。它的驅(qū)動電壓可達(dá)46V，直流電流總和可達(dá)4A，其內(nèi)部具有2個完全相同的PWM功率放大回路。圖5為L298驅(qū)動電路,1腳接地，2腳、3腳接直流電機(jī)的正負(fù)極，4腳接+12V，6腳為使能端接單片機(jī)P3.7，該端口是單片機(jī)軟件產(chǎn)生的PWM波輸出端口，讓電機(jī)實現(xiàn)調(diào)速。8腳接地，電路中的5腳、7腳是控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的，只需接電源和地就可以實現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

圖5 L298驅(qū)動電路

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件程序采用C語言編寫，包括LCD顯示程序、A/D轉(zhuǎn)換讀取程序、PWM波產(chǎn)生程序和鍵盤掃描程序等。主程序的流程見圖6所示。

圖6 程序流程圖

4 系統(tǒng)測試

根據(jù)方案，我們焊接出了帆板控制系統(tǒng)的電路板，我們利用量角器、直尺、秒表、三角板等工具做了一系列的實驗。

圖7 鍵盤布局圖 圖8 帆板45度LCD顯示信息

我們把風(fēng)扇固定在距離帆板10cm的位置，對系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)。系統(tǒng)的鍵盤布局如圖7所示，此時按下“最大”鍵，風(fēng)扇處于最大風(fēng)速，帆板被風(fēng)扇吹起，則帆板處于最大角度，LCD上顯示相關(guān)信息；此時若按下鍵盤的“增大”、“減小”按鍵，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速會增大或減小，帆板的角度也會增大或減小，可以滿足在0-60度范圍內(nèi)變化。經(jīng)測試，角度誤差在2度以內(nèi)，見表1所示。鍵盤上還設(shè)置了數(shù)字鍵，用戶可以自主設(shè)置要求帆板達(dá)到的角度，假設(shè)我們要預(yù)置45度，則按下4和5鍵，再按下確定鍵，則帆板可以很快穩(wěn)定在45度附近，并且發(fā)出聲光報警供用戶檢測，LCD顯示如圖8所示。LCD兩行顯示，第一行為帆板當(dāng)前的傾角，第二行為預(yù)置角度、時間、占空比等信息。經(jīng)測試，達(dá)到設(shè)定值的時間在4秒以內(nèi)，如表2所示。

表1 帆板增大減小的角度

本系統(tǒng)實現(xiàn)了實時顯示帆板角度的基本要求，但也不可避免地存在一些誤差。我們對誤差進(jìn)行了分析，有多種因素造成誤差。例如帆板支架的不穩(wěn)定性，造成了角度的不穩(wěn)定；傾度傳感器的初始角度很難保證絕對水平以及公式的近似計算帶來的誤差。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)利用SCA60C 傾角傳感器檢測帆板的角度，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換后輸送給單片機(jī)處理顯示；并且可以通過鍵盤來增大、減小、設(shè)置帆板的角度，完全實現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計的要求。系統(tǒng)測量精度高，絕對誤差小于2 度；預(yù)置角度方便，4 秒內(nèi)就可以達(dá)到設(shè)定值。在角度自動調(diào)整中，充分利用單片機(jī)和傳感器技術(shù)，可以實現(xiàn)物體的精確角度定位，在實際生活領(lǐng)域有非常重要的實際應(yīng)用。

[1] 張曉靜, 站智濤. 基于傾角傳感器設(shè)計的帆船姿態(tài)儀[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用. 2008(5): 54-55

[2] 郭志勇. 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)項目教程[M]. 中國水利水電出版社. 2011.1

[3] 宋健. 基于L298的直流電動機(jī)PWM調(diào)速器[J]. 濰坊學(xué)院學(xué)報. 2004(4): 87-88.

[4] 全國電子設(shè)計競賽獲獎作品選編[M]. 北京理工大學(xué)出版社, 2007.