基于AVR單片機風(fēng)板控制系統(tǒng)的設(shè)計

劉立軍

(遼寧機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 華孚儀表學(xué)院,遼寧 丹東 118009)

基于AVR單片機風(fēng)板控制系統(tǒng)的設(shè)計

劉立軍

(遼寧機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 華孚儀表學(xué)院,遼寧 丹東 118009)

以AVR單片機作為控制核心，設(shè)計并制作了一種能夠控制風(fēng)板的自動控制系統(tǒng), 該系統(tǒng)利用角度傳感器實時測量風(fēng)板旋轉(zhuǎn)的角度、電機驅(qū)動并結(jié)合軟件的算法實現(xiàn)風(fēng)板的轉(zhuǎn)角測試。該系統(tǒng)能夠通過LCD1602液晶顯示器實時顯示相關(guān)參數(shù)，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速能夠?qū)崟r控制并伴有聲光提示等功能，該系統(tǒng)軟件設(shè)計簡單、計算量小、測試角度誤差小，風(fēng)板能夠較快且較準(zhǔn)確地達到預(yù)定設(shè)置角度,并具有較好的穩(wěn)定性。通過測試數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)具有一定的理論研究意義和工程實用價值。

AVR；風(fēng)板；LCD1602；轉(zhuǎn)角測試

在搖動帆式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，通過帆板的往復(fù)擺動所產(chǎn)生的動能可以驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，同時這種發(fā)電系統(tǒng)具有發(fā)電效率高和良好的低風(fēng)速發(fā)電特性和優(yōu)異的耐強風(fēng)性特點。隨著智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)板控制系統(tǒng)的發(fā)展方向是數(shù)字化、智能化、高性能。風(fēng)力的大小可以利用風(fēng)板角度控制系統(tǒng)準(zhǔn)確地測量出來，這樣風(fēng)板偏轉(zhuǎn)的角度就可以準(zhǔn)確地計算出來，風(fēng)力的大小就被準(zhǔn)確地計算出來。通過大量的研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)板角度控制系統(tǒng)已經(jīng)成為測量風(fēng)力大小的典型控制器。文章設(shè)計了一種采用AVR單片機作為主控芯片的風(fēng)板控制系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)板垂直角度在一定范圍內(nèi)變動時，在設(shè)定的時間內(nèi)，風(fēng)板控制系統(tǒng)通過按鍵設(shè)定風(fēng)板完成預(yù)置角度并完成規(guī)定動作，系統(tǒng)對控制過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)用LCD1602液晶顯示器進行實時顯示[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

風(fēng)板控制系統(tǒng)用AVR單片機作為控制核心部件，采用高精度三軸角加速度傳感器ADXL345對風(fēng)板旋轉(zhuǎn)角實時檢測，單片機對采集到的角度信號加以分析判斷處理，同時將此信號轉(zhuǎn)換成角度數(shù)據(jù)與預(yù)置角度進行比較運算，生成導(dǎo)通角控制量值，并通過單片機將處理結(jié)果傳送給電機驅(qū)動器件，使其能夠控制驅(qū)動電機調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。用獨立按鍵和液晶顯示器LCD1602作為人機交互界面，用于手動輸入和相關(guān)參數(shù)的實時顯示。

系統(tǒng)由電源、AVR單片機、電機驅(qū)動芯片、LCD1602液晶顯示器與聲光報警電路、輸入電路和角度檢測電路構(gòu)成[2,3]，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 風(fēng)板控制系統(tǒng)硬件電路

2.1單片機控制和顯示電路

控制系統(tǒng)的核心處理芯片選用AVR系列單片機中的ATmega16[4]，在風(fēng)板控制系統(tǒng)中單片機主要完成以下處理功能：1)ADXL345三軸角加速度傳感器信號的數(shù)據(jù)采集處理與信號補償。2)產(chǎn)成電機驅(qū)動信號用于調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。3)控制LCD1602液晶顯示電路，用于實現(xiàn)字符、數(shù)據(jù)的實時顯示和聲光報警電路的控制。4)按鍵狀態(tài)信息的讀取，用于實現(xiàn)預(yù)置參數(shù)的設(shè)置、存儲，控制電機的啟動和停止等操作。

選用LCD1602液晶顯示電路，它是一款專門用于顯示字母、數(shù)字、符號的點陣試LCD，顯示字符為16字*2行。在本系統(tǒng)中，LCD1602要顯示的內(nèi)容包括預(yù)置參數(shù)、風(fēng)板的實時轉(zhuǎn)動角度、控制過程完成時間和導(dǎo)通角等參數(shù)。

單片機實時顯示電路如圖2所示，AVR單片機的時鐘電路由C6、C7和8 MHz晶振構(gòu)成，顯示電路由芯片IC1、IC7和電位器R5等外圍電子元件來構(gòu)成，復(fù)位電路由R2、C8和按鍵S1組成，S1是手動復(fù)位鍵。

2.2角度檢測電路

角度傳感器選用三軸角加速度傳感器ADXL345[5]，其輸出數(shù)據(jù)為16位二進制補碼格式，數(shù)據(jù)可通過SPI(3線或四線)總線或I2C總線方式訪問。角加速度傳感器ADXL345固定安裝在風(fēng)板控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸上，它隨著轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動，AVR單片機作為控制核心，實時采集ADXL345傳感器中的角度數(shù)據(jù)，經(jīng)過運算處理補償后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角度值，在LCD1602顯示器上實時顯示數(shù)據(jù)。對于角度數(shù)據(jù)的處理采用累積10次采樣結(jié)果、再對其取平均值的方法進行數(shù)據(jù)處理，這種數(shù)據(jù)處理的方法能夠有效解決風(fēng)板在擺動過程中狀態(tài)不穩(wěn)的難題。單片機根據(jù)實時采集的角度值與預(yù)置角度值進行比較運算，最后產(chǎn)生調(diào)節(jié)風(fēng)扇電機轉(zhuǎn)速的導(dǎo)通角量值。

ADXL345與AVR單片機采用I2C模式進行通信，角度檢測電路由IC1、IC8、R6、R7構(gòu)成，電路如圖3所示。

2.3電機控制電路

電機控制電路見圖4，由過零檢測電路和觸發(fā)脈沖與驅(qū)動電路構(gòu)成[6]。過零檢測電路由變壓器、整流橋、R20、C20構(gòu)成，接入單片機PA7口，確定基準(zhǔn)點，判斷導(dǎo)通角零點。兩路觸發(fā)脈沖與驅(qū)動電路由光耦、驅(qū)動三極管、固態(tài)繼電器等器件構(gòu)成。觸發(fā)脈沖由單片機PD4、PD5口輸出。通過對固態(tài)繼電器導(dǎo)通角的控制，調(diào)節(jié)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速。風(fēng)機MG1、MG2采用交流220V、38W軸流風(fēng)機。

2.4輸入和聲光報警電路

在風(fēng)板控制系統(tǒng)中按鍵的主要功能是控制電機的啟動與停止和設(shè)置風(fēng)板的轉(zhuǎn)角數(shù)值，其電路如圖5 所示。各按鍵功能為：S2：加十，執(zhí)行加十子程序；S3：加一，執(zhí)行加一子程序；S4：減十，執(zhí)行減十子程序；S5：減一，執(zhí)行減一子程序；S6：確認。

聲光報警電路由R13、R14、發(fā)光二極管D8、三極管Q1和揚聲器LS1等器件來組成。當(dāng)風(fēng)板轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)到預(yù)置角度參數(shù)時，由AVR單片機控制聲光報警電路工作，用于產(chǎn)生持續(xù)的聲光報警信號。

3 風(fēng)板控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1控制單元及中斷服務(wù)子程序

控制單元主程序流程主要包括系統(tǒng)初始化、是否啟動按鍵、是否產(chǎn)生聲光報警信號和設(shè)置參數(shù)的判斷與處理等子程序。

1)系統(tǒng)初始化：系統(tǒng)的初始化主要包括AVR單片機引腳的初始化和相關(guān)參數(shù)的初始化等操作。

2)聲光報警信號：風(fēng)板轉(zhuǎn)到預(yù)置參數(shù)時，執(zhí)行聲光報警子程序，產(chǎn)生聲光報警信號。

3)設(shè)置參數(shù)的判斷與處理：判斷按鍵是否按下，執(zhí)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置子程序。

在風(fēng)板控制系統(tǒng)軟件設(shè)計中還有2個定時器中斷服務(wù)程序，分別是定時器1和定時器2中斷。定時器1中斷服務(wù)子程序主要用于實現(xiàn)對LCD1602液晶顯示器的各種字符、相關(guān)數(shù)據(jù)的實時顯示。定時器2中斷服務(wù)子程序主要是實時采集三軸角加速度傳感器ADXL345的角加速度數(shù)據(jù)，采集完成后，置位每次數(shù)據(jù)采集完成的標(biāo)志位。

3.2風(fēng)板控制系統(tǒng)軟件流程設(shè)計

軟件采用模塊化程序設(shè)計的構(gòu)建方法。下面分別闡述兩個單元的主程序的架構(gòu)及兩個中斷服務(wù)子程序的作用[7]。主程序流程如圖6所示，主程序主要包括風(fēng)板控制系統(tǒng)的初始化、角度實時檢測、按鍵啟動和停止的判斷與處理、聲光報警信號的產(chǎn)生和相關(guān)參數(shù)設(shè)置等。角度檢測程序流程如圖7所示，主要包括系統(tǒng)檢測程序的初始化、角度參數(shù)的實時采集與顯示、角度參數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)處理、累計判斷、生成導(dǎo)通角量值等。

風(fēng)板控制系統(tǒng)的初始化主要包括單片機引腳及功能的初始化、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換程序初始化、相關(guān)變量參數(shù)初始化、I2C通信模式設(shè)置和定時器中斷服務(wù)等相關(guān)初始化操作；在采集風(fēng)板轉(zhuǎn)軸角度過程中首先是要檢測角度采集標(biāo)志位的狀態(tài)，在中斷服務(wù)子程序中完成三軸角加速度傳感器數(shù)據(jù)的實時采集，每次數(shù)據(jù)采集完成后都將采集標(biāo)志位置位；當(dāng)角度數(shù)據(jù)采集完成后，將采集標(biāo)志位清零，對每次采集到的數(shù)字量進行數(shù)據(jù)處理，通過查表的方式對角度數(shù)據(jù)進行補償，同時將補償后的數(shù)據(jù)變成能夠反映實際角度的度數(shù)值,用于顯示角度值用，將操作結(jié)果進行累計，當(dāng)累計的角度值達到10次以后，對采樣值取平均值，產(chǎn)生最終可以調(diào)節(jié)風(fēng)扇電機轉(zhuǎn)速的信號。

4 測試結(jié)果分析

按測試要求，預(yù)置風(fēng)板控制角度在45°～135°之間設(shè)定，由起點開始啟動裝置，控制風(fēng)板達到預(yù)置角度，過渡過程時間不大于10 s，控制角度誤差不大于5°，在預(yù)置角度上的穩(wěn)定停留時間為5 s，誤差不大于1 s，動作完成后風(fēng)板平穩(wěn)停留在初始位置上。

風(fēng)板控制系統(tǒng)測試時選用主要儀器包括示波器、數(shù)字萬用表、量角器、刻度尺等測試儀器。測試風(fēng)板實際角度與角度傳感器角度的測量表如表1所示，導(dǎo)通角量值數(shù)據(jù)如表2所示，風(fēng)板控制系統(tǒng)可以很好地完成預(yù)置風(fēng)板角度，完成規(guī)定動作，且有臨界聲光提示，角度顯示。過渡過程時間≤10 s，控制角度誤差≤5°。在預(yù)置角度上的穩(wěn)定停留時間為5 s，誤差≤1 s。

根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，隨著晶閘管導(dǎo)通角控制程度的增大，風(fēng)機的風(fēng)速逐漸加大，風(fēng)板設(shè)定的角度能維持3～5 s，由此可以得出以下結(jié)論：

1)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速與晶閘管導(dǎo)通角的控制程度成比例關(guān)系。

2)風(fēng)板實際角度與傳感器檢測的角度誤差2°，當(dāng)穩(wěn)定時角度誤差小于5°波動。

5 結(jié)論

以AVR單片機作為控制核心,設(shè)計并制作了一種能夠控制風(fēng)板的自動控制系統(tǒng), 該系統(tǒng)利用角度傳感器測角度、電機驅(qū)動并結(jié)合軟件的算法實現(xiàn)風(fēng)板的轉(zhuǎn)角測試。利用LCD1602液晶顯示器對測量的角度等參數(shù)進行實時顯示，并對風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速實時控制，同時并伴有聲光提示等功能。該系統(tǒng)使得風(fēng)板能夠較快且較準(zhǔn)確地達到設(shè)定角度,并具有較好的穩(wěn)定性。

表1 風(fēng)板實際角度與角度傳感器角度比較

表2 導(dǎo)通角量值數(shù)據(jù)

該系統(tǒng)具有軟件設(shè)計簡單、計算量小、測試角度誤差小等特點。通過測試數(shù)據(jù)表明，該設(shè)計具有一定的理論研究意義和工程實用價值。

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DesignofWindPlateControlSystemBasedonAVRSingleChipMicrocomputer

LIU Li-jun

(School of Huafu Meters, Liaoning Mechatronics College, Dandong 118009, Liaoning, China)

Based on AVR microcontroller as control core, this paper designs an automatic control system to control wind plate. This system uses the angle sensor, real-time measurement of wind angle plate rotating motor drive and combines with software algorithm of measuring angle of wind plate. The system can display the relevant parameters through the LCD1602 LCD display, real-time control and fan speed with the acousto-optic prompt function. The software design of this system is simple; small amount of calculation and test of angle error is small; the wind board can quickly and accurately reach a predetermined set point, and has better stability. The test data shows that the system has certain theoretical and engineering significance and practical value.

AVR; wind plate; LCD1602; corner test

TP273

A

1008-9446(2017)04-0040-04

2016-12-14

劉立軍(1981-)，男，遼寧朝陽人，講師，碩士，主要從事動態(tài)測試與智能儀器、電子技術(shù)研究，E-mail:123305063@qq.com。