基于單片機(jī)控制的角度自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本系統(tǒng)采用單片機(jī)STC12C5A08S2作為主控芯片，輸出可控的PWM信號(hào)，通過L298N專用驅(qū)動(dòng)電路對(duì)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)風(fēng)力大小，改變帆板偏轉(zhuǎn)角度。使用WDD35D4角度傳感器檢測(cè)帆板偏轉(zhuǎn)角度，檢測(cè)信號(hào)送回單片機(jī)控制系統(tǒng)，形成閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)可通過鍵盤輸入進(jìn)行風(fēng)力控制達(dá)到自動(dòng)調(diào)整帆板偏轉(zhuǎn)角度目的。同時(shí)系統(tǒng)還可通過顯示電路實(shí)時(shí)顯示帆板偏轉(zhuǎn)角度值。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；帆板；偏轉(zhuǎn)角度；角度傳感器

    角度自動(dòng)調(diào)整控制系統(tǒng)在航空航天、航海、汽車駕駛等現(xiàn)實(shí)生活領(lǐng)域中都有重要應(yīng)用，因此有著非常重要的研究?jī)r(jià)值和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。把單片機(jī)與角度傳感器有效結(jié)合起來，就可實(shí)現(xiàn)一般領(lǐng)域的角度自動(dòng)調(diào)整控制。文中詳細(xì)介紹了基于單片機(jī)控制的角度自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)針對(duì)帆板角度進(jìn)行控制，可根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)整帆板偏轉(zhuǎn)角度大小。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及電路工作原理
    本系統(tǒng)包括單片機(jī)控制系統(tǒng)、角度檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、角度檢測(cè)電路、顯示電路、電源電路、機(jī)械控制模塊等組成，如圖1所示。

    系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案總體描述：方案設(shè)計(jì)的思路就是由單片機(jī)控制系統(tǒng)輸出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路，由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使帆板發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)，角度檢測(cè)電路檢測(cè)帆板偏轉(zhuǎn)角度值送給單片機(jī)控制系統(tǒng)，由液晶顯示器上顯示出帆板所偏轉(zhuǎn)的角度。
    控制系統(tǒng)采用單片機(jī)控制系統(tǒng)STC1205A08S2。由單片機(jī)輸出PWM信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路，改變輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的改變。由于單片機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號(hào)的變換受外界干擾小，整個(gè)系統(tǒng)工作可靠，從而利用單片機(jī)控制系統(tǒng)更能精確的實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM波占空比的調(diào)整，達(dá)到對(duì)帆板角度偏轉(zhuǎn)進(jìn)行精確地調(diào)整。且具有價(jià)格便宜、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
    角度檢測(cè)電路采用WDD35D4角度傳感器。WDD35D4采用硬質(zhì)鋁合金材料制作外殼，采用導(dǎo)電塑料作為電阻材料，多種電阻值可選，獨(dú)立線性度可達(dá)到0．1％，具有機(jī)械壽命長(zhǎng)，分辨率高，轉(zhuǎn)動(dòng)順滑，動(dòng)態(tài)噪聲小的優(yōu)良性能。
    驅(qū)動(dòng)電路采用采用PWM控制專用驅(qū)動(dòng)芯片L298N。L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(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)46 V、2 A以下的電機(jī)。
    顯示電路用LCD液晶進(jìn)行顯示。LCD液晶顯示由于其驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗微小、可靠性高、顯示信息量大、無閃爍、顯示清晰、使用方便、顯示快速等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。
    風(fēng)扇采用型號(hào)為WFB1212LE的大口徑風(fēng)扇。在選擇風(fēng)扇時(shí)應(yīng)考慮風(fēng)扇的材料、性能強(qiáng)勁、工作穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)等特性，還要考慮風(fēng)扇的地面尺寸。與風(fēng)扇地面尺寸息息相關(guān)的數(shù)據(jù)是過風(fēng)面積，進(jìn)一步影響到風(fēng)扇的重要指標(biāo)是風(fēng)量，擁有更大的地面尺寸，一般就可以獲得更大的過風(fēng)面積，在風(fēng)速相當(dāng)?shù)那闆r下，將獲得更大的風(fēng)量。
    機(jī)械控制模塊的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是使帆板轉(zhuǎn)動(dòng)自由、能順利回到零點(diǎn)；角度傳感器輸出精度高。直接把角度傳感器和帆板轉(zhuǎn)軸相連。此方案簡(jiǎn)單、可行。但若帆板轉(zhuǎn)動(dòng)范圍較小，角度傳感器輸出角度也較小，輸出精度相對(duì)低些。

2 理論分析與計(jì)算
2．1 測(cè)量角度原理
    角度傳感器是一種精密的線繞電位器，如圖2所示。

    由于角度傳感器是線性電位器，則有
   
    若最大角αmax和最大輸入電壓Umax往往是已知，若求出或測(cè)出輸出電壓，便可計(jì)算或測(cè)量角度。
    由于單片機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，因此需要通過一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換電路把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)系統(tǒng)。WDD35D4角度傳感器的量程為：0～2 k，角度傳感器兩端電壓為12 V，由于帆板受到風(fēng)力，使得帆板帶動(dòng)角度傳感器的旋轉(zhuǎn)，從而改變角度傳感器分得的電壓，因此我們得到的控制算法為(x為假設(shè)的角度傳感器輸出電壓模擬量)：
   
2．2 PWM控制原理
    PWM的意思是脈寬調(diào)節(jié)，也就是調(diào)節(jié)方波高電平和低電平的時(shí)間比，一個(gè)20％占空比波形，會(huì)有20％的高電平時(shí)間和80％的低電平時(shí)間，而一個(gè)60％占空比的波形則具有60％的高電平時(shí)間和40％的低電平時(shí)間，占空比越大，高電平時(shí)間越長(zhǎng)，則輸出的脈沖幅度越高，即電壓越高。如果占空比為0％，那么高電平時(shí)間為0，則沒有電壓輸出。如果占空比為100％，那么輸出全部電壓。所以通過調(diào)節(jié)占空比，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的，而且輸出電壓可以無級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)。從而可精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
    分辨率也就是占空比最小能達(dá)到多少，如8位的PWM，理論的分辨率就是1：255(單斜率，即28之一)，16位的PWM理論就是1：655 35(單斜率，即216之一)。為提高系統(tǒng)中的分辨率，本系統(tǒng)中采用10位的PWM，理論上的分辨率為1：1 024。
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心算法為PID算法，它根據(jù)本次采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較得出偏差e(n)，對(duì)偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，最終利用運(yùn)算結(jié)果控制PWM脈沖的占空比來實(shí)現(xiàn)對(duì)加在電機(jī)兩端電壓的調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。其運(yùn)算公式為：
    u(n)=Kp[e(n)-e(n-1)]+KIe(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]+u0      (8)

3 硬件主要模塊電路設(shè)計(jì)與分析
3．1 驅(qū)動(dòng)電路
    根據(jù)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，驅(qū)動(dòng)電路采用了L298N集成電路。L298N是一種高壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，其設(shè)計(jì)是為接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載的。L298N芯片可驅(qū)動(dòng)48 V、2A以下的電機(jī)。電路圖如圖3所示。L298N驅(qū)動(dòng)1個(gè)電機(jī)，OUT3、OUT4之間接1個(gè)電動(dòng)機(jī)。  5、7、10、12、腳接輸入控制電平，ENA接控制使能端(PWM信號(hào))，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。

3．2 角度檢測(cè)電路
    角度檢測(cè)電路如圖4所示，從角度傳感器取得模擬信號(hào)后，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行角度大小的判斷和顯示?？紤]到帆板在回原的過程可能會(huì)出現(xiàn)微小的過零現(xiàn)象及裝配誤差問題(如電位器不是從零度開始)，為了便于程序編寫和電路調(diào)整、檢測(cè)，把電位器初始角度放在180°(即阻值500 Ω)位置，在編寫顯示程序時(shí)再減掉180°。同時(shí)也便于從前后都可以對(duì)帆板進(jìn)行吹風(fēng)檢測(cè)。

4 機(jī)械模塊的設(shè)計(jì)
    機(jī)械模塊的設(shè)計(jì)如圖5所示。為使其有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，采用相對(duì)獨(dú)立的機(jī)械框架。把角度傳感器的轉(zhuǎn)軸和帆板轉(zhuǎn)軸相連安裝在框架的上方，采用螺釘固定的方式使角度傳感器穩(wěn)定。為減小帆板轉(zhuǎn)軸另一端的接觸和轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，在軸的另一端加有比較輕薄且有一定機(jī)械強(qiáng)度的塑料板，通過減小接觸面來減小阻力。帆板的選擇即要考慮硬度，又要考慮機(jī)械強(qiáng)度，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，選擇筆記薄封面的塑料皮。為了減小由于塑料皮對(duì)變形對(duì)測(cè)量的影響，在帆板的中間加上一個(gè)硬度相對(duì)高一些條形塑料板。為使帆板處于轉(zhuǎn)軸的中心位置，先在軸上放在固定片，再把帆板上端夾入固定片中。在支撐架的側(cè)面裝有角度線、下面裝有刻度線等，便于測(cè)量帆板的偏轉(zhuǎn)角度和風(fēng)扇與帆板之間的距離。

5 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)與工作流程
    帆板角度的測(cè)量、顯示：帆板的轉(zhuǎn)動(dòng)→角度傳感器輸出直流電壓→A／D轉(zhuǎn)換→單片機(jī)控制→角度顯示。
    鍵盤操作控制、顯示：通過改變PWM(連續(xù)調(diào)節(jié)，每次調(diào)整占空比的時(shí)間較短；按給定值調(diào)節(jié)，按鍵盤設(shè)定值調(diào)節(jié)PWM)→帆板的轉(zhuǎn)動(dòng)→角度傳感器輸出直流電壓→A／D轉(zhuǎn)換→單片機(jī)控制→角度顯示。系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示。

6 結(jié)論
    分別用手撥動(dòng)帆板或操作鍵盤設(shè)定規(guī)定角度值，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示帆板偏轉(zhuǎn)角度值，并且系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)整帆板到指定角度位置，并有無聲光提示。顯示范圍為0～60°，分辨力為2°，絕對(duì)誤差≤5°。且通過操作鍵盤控制風(fēng)力大小，使帆板轉(zhuǎn)角θ能夠在0～60°范圍內(nèi)變化，并能實(shí)時(shí)顯示θ。
    通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量、分析，該系統(tǒng)能夠進(jìn)行角度自動(dòng)調(diào)整。且系統(tǒng)有如下特色：1)性價(jià)比高，功耗小，能源利用率高。采用的為STC1 205A08S2單片機(jī)控制系統(tǒng)，在完成功能的前提下價(jià)格低廉。電源模塊使用的是開關(guān)電源，相比線性電源而言，開關(guān)電源的效率高多了。2)采用PWM原理及L298N驅(qū)動(dòng)電路。采用PWM原理及L298N驅(qū)動(dòng)電路提高了控制精度。