帆板控制系統(tǒng)的設(shè)計

宋艷王進

(常州信息職業(yè)技術(shù)學院電子電氣工程學院 江蘇常州 213164)

帆板控制系統(tǒng)的設(shè)計

宋艷王進

(常州信息職業(yè)技術(shù)學院電子電氣工程學院 江蘇常州 213164)

設(shè)計了一種基于單片機的帆板控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過對風扇轉(zhuǎn)速的控制來調(diào)節(jié)風力的大小，實現(xiàn)對帆板轉(zhuǎn)角角度的改變。主要介紹了該系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)組成和軟件系統(tǒng)的主流程設(shè)計。

帆板;角度;單片機

1 系統(tǒng)設(shè)計要求

本文是對帆板控制系統(tǒng)的設(shè)計，該課題來源于2011年全國大學生電子設(shè)計競賽的題目之一。本文設(shè)計的帆板控制系統(tǒng)，是在室內(nèi)環(huán)境下工作的，即不考慮外界條件對系統(tǒng)的影響。該帆板控制系統(tǒng)可以通過對風扇轉(zhuǎn)速的控制，調(diào)節(jié)風力大小，改變帆板轉(zhuǎn)角θ，該帆板控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 帆板控制系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)的主要功能說明:

①用手轉(zhuǎn)動帆板時，能夠數(shù)字顯示帆板的轉(zhuǎn)角θ。顯示范圍為0°～60°，分辨率為2°，絕對誤差≤5°。

②當間距d=10 cm時，通過操作鍵盤控制風力大小，使帆板轉(zhuǎn)角θ能夠在0°～60°范圍內(nèi)變化，并可以實時顯示θ。

③當間距d=10 cm時，通過操作鍵盤控制風力大小，使帆板轉(zhuǎn)角θ穩(wěn)定在45°±5°范圍內(nèi)，可以實時顯示θ，并可以進行聲光提示。

④間距d在7～15 cm范圍內(nèi)任意選擇，通過鍵盤設(shè)定帆板轉(zhuǎn)角，范圍為0°～60°。帆板轉(zhuǎn)角θ可以在5秒內(nèi)達到設(shè)定值，并實時顯示θ。

2 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)主要包括單片機系統(tǒng)、角度信號采集、液晶顯示和鍵盤輸入電路、聲光提示和串口通信接口等幾個功能模塊。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2。

圖2 帆板控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1 電源模塊

系統(tǒng)的各個組成部分都需要供電電源，但各個部分需要的電源大小不一樣［1］，所以本系統(tǒng)的主要供電電源有12 V和5 V兩種。220 V的交流市電經(jīng)變壓、整流濾波后，通過7812穩(wěn)壓得到12 V的電壓以此來給風扇供電，12 V的電壓經(jīng)過7805得到5 V電壓來給單片機和各個模塊的芯片供電。

3.2 單片機系統(tǒng)

對于整個帆板控制系統(tǒng)而言，單片機是整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)裝置。本系統(tǒng)采用STC89C52單片機作為主控元件來控制風扇的轉(zhuǎn)速。單片機系統(tǒng)的主要工作是生成PWM信號來調(diào)節(jié)風扇的轉(zhuǎn)速去改變帆板的轉(zhuǎn)角大小，并對角度采集模塊送過來的信號進行處理后送液晶顯示模塊LCD1602顯示出對應(yīng)的帆板轉(zhuǎn)角角度值，另外單片機系統(tǒng)還對鍵盤模塊輸入的按鍵信號做出相應(yīng)的處理。

3.3 角度信號采集模塊

該模塊主要是對帆板轉(zhuǎn)動的角度值進行采集并進行轉(zhuǎn)換后送單片機處理。角度信號采集模塊主要由兩部分組成:角度采集電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。

角度采集電路主要是采集帆板轉(zhuǎn)動的角度值，角度值的采集實質(zhì)是電阻分壓的原理。本系統(tǒng)采用了高靈敏度、低阻力的WDD35電位器(電阻值5 K，線性失真0.1%)，設(shè)計時利用帆板的軸承來帶動電位器的軸，從而將角度的變換變成電阻值的變化，加上5 V的電壓后，將電阻值的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，得到的電壓被送到A/D轉(zhuǎn)換電路進行轉(zhuǎn)換。

A/D轉(zhuǎn)換電路主要是將角度采集電路得到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送單片機處理。本系統(tǒng)采用的是ADC0832轉(zhuǎn)換芯片，該芯片具有8位分辨率，最高分辨率可達256級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求，轉(zhuǎn)換時間僅32 μs。

3.4 液晶顯示和鍵盤輸入模塊

1)鍵盤輸入模塊。本系統(tǒng)鍵盤采用了4個獨立按鍵，分別為:S2、S3、S4、S5。S2為功能切換鍵，可以完成風速調(diào)節(jié)功能和角度預(yù)設(shè)功能間的相互切換;S3、S4分別為增值和減值鍵;S5退出鍵，即退出風速調(diào)節(jié)和角度預(yù)設(shè)功能。

2)液晶顯示模塊。本系統(tǒng)采用的是LCD1602來顯示帆板轉(zhuǎn)動的角度值和按鍵輸入的內(nèi)容。開機后進入人機界面，畫面顯示角度預(yù)設(shè)值和當前角度值，根據(jù)按下S2鍵的次數(shù)便進入風扇速度調(diào)節(jié)界面或角度預(yù)設(shè)調(diào)節(jié)界面。在調(diào)節(jié)界面中，可根據(jù)按鍵輸入來實時顯示當前風扇速度值或預(yù)設(shè)角度的值。按S3鍵可顯示增大風扇速度值或預(yù)設(shè)角度的值，按S4鍵可顯示減小風扇速度值或預(yù)設(shè)角度的值，按下S5退出設(shè)置模式回到顯示角度預(yù)設(shè)值和當前角度值界面。

3.5 聲光提示模塊

當在帆板轉(zhuǎn)動的角度達到預(yù)設(shè)角度(±5°)時，系統(tǒng)可以發(fā)出聲光來提示操作人員，聲光是通過向預(yù)定的端口發(fā)送有一定頻率的信號來控制蜂鳴器的間歇性的鳴響和發(fā)光二極管的亮滅閃爍。

3.6 通信模塊

本系統(tǒng)通信模塊采用的是標準RS232CD型9針接口來實現(xiàn)PC機與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。STC89C52片上帶有全雙工串行通信接口，可以使用它來實現(xiàn)與PC機和鍵盤顯示模塊之間的通信。系統(tǒng)中采用了MAXIM公司的MAX232芯片實現(xiàn)了PC機輸出的RS232C電平和單片機的TTL電平之間的雙向轉(zhuǎn)換［2］。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括主程序、角度采集轉(zhuǎn)換子程序、風扇驅(qū)動子程序、聲光提示子程序、液晶顯示鍵盤子程序、通信子程序等。所有的程序均采用C語言編寫，可以很方便地調(diào)試和下載程序代碼。本系統(tǒng)主流程如圖3所示。

本系統(tǒng)中PWM信號的產(chǎn)生、帆板角度的控制是軟件設(shè)計的關(guān)鍵部分。

1)PWM信號的產(chǎn)生。PWM信號主要是用來調(diào)節(jié)風扇的轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)對帆板的角度的改變。本系統(tǒng)是利用單片機的定時器中斷來實現(xiàn)定時，在單片機的I/O口產(chǎn)生所需的PWM信號，并可以通過按鍵調(diào)節(jié)定時器初值調(diào)節(jié)PWM信號的占空比，以實現(xiàn)風扇轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

2)帆板角度的控制。如何控制帆板的角度跟隨預(yù)設(shè)角度值是設(shè)計的核心。本系統(tǒng)通過角度信號采集模塊實時采集帆板的實際角度值作為反饋信號，構(gòu)成一個簡單的變比例閉環(huán)系統(tǒng)。單片機根據(jù)采集到的實際角度值和系統(tǒng)預(yù)設(shè)的角度值之間的誤差大小調(diào)整反饋的比例系數(shù)，誤差越大，反饋的比例系數(shù)越大，角度誤差每10°對應(yīng)一個比例系數(shù)。這樣的控制方案算法簡單，并且可以縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時間。當角度誤差在±5°范圍之內(nèi)時，單片機停止對風扇轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而降低帆板角度的超調(diào)量，減小帆板控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

圖3 帆板控制系統(tǒng)的主流程圖

5 系統(tǒng)的調(diào)試

5.1 系統(tǒng)的操作方法

1)系統(tǒng)初始化預(yù)設(shè)角度值為45°，上電后自動達到預(yù)設(shè)值45°。

2)S2鍵可以在風速調(diào)節(jié)功能和角度預(yù)設(shè)功能間相互切換;系統(tǒng)復(fù)位后首次按下S2后可以進入風速調(diào)節(jié)功能，此時按下S3風扇加速，按下S4風扇減速;再次按下S2后進入角度預(yù)設(shè)功能，此時按下S3預(yù)設(shè)角度值增加，按下S4預(yù)設(shè)角度值減小。

3)在風速調(diào)節(jié)功能和角度預(yù)設(shè)功能下，按下S5可以退出風速調(diào)節(jié)和角度預(yù)設(shè)功能，系統(tǒng)根據(jù)當前的預(yù)設(shè)角度值，進行角度跟蹤。

5.2 系統(tǒng)的測試

系統(tǒng)的測試主要是對角度傳感器的性能測試和風扇電壓的測試。

1)角度傳感器的測試。角度傳感器WDD35實際就是360°旋轉(zhuǎn)式電位器，系統(tǒng)對角度要求較高，所以WDD35應(yīng)該使用電位器中間的那一段阻值。對角度傳感器的測試見表1所示。

表1 角度傳感器的性能參數(shù)

2)風扇電壓的測試。風扇必須在達到一定的電壓值后才能運轉(zhuǎn)，同樣當風扇運轉(zhuǎn)時，帆板不一定會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，必須在風速達到一定速度后才會偏轉(zhuǎn)。具體對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 風扇電壓值和風扇及帆板的運動狀態(tài)

本文設(shè)計了一種基于單片機的帆板控制系統(tǒng)，主要對該系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)進行了敘述，并介紹了本系統(tǒng)能實現(xiàn)的功能及操作步驟。該系統(tǒng)還有待改進和完善的地方，可在今后作進一步的深入研究。

［1］ 宋艷.基于單片機的智能小電阻測量儀系統(tǒng)的研究［J］.裝備制造技術(shù)，2010(3):23.

［2］ 王秋爽，曾昭龍.單片機開發(fā)基礎(chǔ)與經(jīng)典設(shè)計實例［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008:296.

Design of the Solar Panel Control System

SONG Yan WANG Jin
(School of Electronic and Electrical Engineering，Changzhou College of Information Technology，Changzhou 213164，China)

The paper discusses the design of a solar panel control system based on MCU，the angle of the solar panel can be controlled by changing fan speed to adjust the speed of wind.The paper mainly expounds the design of hardware structure and main process flow of the system.

solar panel;angle;MCU

TP 273.5

A

1672-2434(2012)01-0019-03

2011-11-16

宋 艷(1978-)，女，講師、工程師，從事研究方向:應(yīng)用電子、電子信息