帆板控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭揚(yáng)冰，薛 曉

ZHENG Yang-bing1, XUE Xiao2,3

（1. 中國礦業(yè)大學(xué)，北京100083；2. 中國地質(zhì)大學(xué)，武漢 430074；3. 南陽理工學(xué)院，南陽 473004）

0 引言

2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽F組題目要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)帆板控制系統(tǒng)，通過對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制，調(diào)節(jié)風(fēng)力大小，改變帆板轉(zhuǎn)角θ，如圖1所示。

圖1 帆板控制系統(tǒng)示意圖

1 硬件設(shè)計(jì)方案及測量原理

結(jié)合題目要求和實(shí)施的可行性，系統(tǒng)硬件采用ATMEGA16為主控制器，三軸加速度傳感器A7260測量角度，Nokia5110液晶顯示，BTS7960驅(qū)動(dòng)電機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)和CPU電源直流風(fēng)扇提供風(fēng)力。

采用ATMEGA16通過實(shí)時(shí)檢測與轉(zhuǎn)換加速度模塊A7260的點(diǎn)位變化，根據(jù)公式換算為對應(yīng)帆板角度的變化并在液晶上顯示。通過4×4鍵盤的設(shè)定來改變單片機(jī)發(fā)給風(fēng)扇的PWM值以調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而改變風(fēng)扇風(fēng)力大小，以達(dá)到改變帆板角度的目的，同時(shí)在液晶上實(shí)時(shí)顯示出來。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

1.1 傳感器測量原理

如圖3所示，三軸加速度傳感器A7260能夠檢測X、Y、Z三個(gè)軸向上的電位變化ΔV，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的角度變化△θ，參考基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)角度，即可算出對應(yīng)角度。傳感器內(nèi)部能自動(dòng)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理、單極濾波以及溫度補(bǔ)償，具有很高的靈敏度，且功耗較低，費(fèi)用低廉。

圖3 加速度傳感器

測試中帆板角度測量原理如圖4所示。

加速度傳感器A7260測量三軸向上的加速度變化，在X軸方向上的重力加速度分量Ax=gsinθ，當(dāng)0g時(shí)基準(zhǔn)電壓1.65V，當(dāng)改變?yōu)?g時(shí)，電壓變?yōu)?.8V，改變量△＝0.8V，當(dāng)帆板位于某一角度 θ時(shí)其電壓值為x，故sinθ＝（1.65－x）/ 0.8，即θ＝arcsin（1.65－x）/ 0.8為所求。

1.2 風(fēng)扇控制電路的設(shè)計(jì)

風(fēng)扇控制電路的關(guān)鍵在于PWM信號(hào)的產(chǎn)生以及PWM信號(hào)與角度之間關(guān)系。ATmega16內(nèi)部的T/C1有較強(qiáng)的匹配功能，其相頻修正十分適合電機(jī)的控制，根據(jù)題目要求只需ICR1＝1024即10位即可滿足要求。根據(jù)公式：頻率f＝OCR1A/ICR1，改變PWM的占空比，即可實(shí)現(xiàn)改變角度的目的。

同時(shí)，為使測量結(jié)果更穩(wěn)定，系統(tǒng)采用風(fēng)道設(shè)計(jì)，減小了風(fēng)扇氣流的散失，使風(fēng)力更集中，帆板抖動(dòng)減小，保證了系統(tǒng)精度。

圖4 帆板角度測量原理

2 軟件設(shè)計(jì)方案

軟件程序設(shè)計(jì)是基于A/D數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的采集，同時(shí)也要對鍵盤進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。由于系統(tǒng)需要設(shè)定角度值，所以采用了外部中斷，在設(shè)定的過程中數(shù)據(jù)采集暫時(shí)中斷。系統(tǒng)程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程圖

加入中斷程序（一部分即可）。

3 測試方案及結(jié)果

1）測試數(shù)據(jù)完整性

根據(jù)實(shí)際帆板所處的位置，用量角器測量其所處角度，并且多次讀取角度值取出現(xiàn)概率最大值，并記錄在表格內(nèi)。

當(dāng)d＝10cm時(shí)，θ在0-60°范圍內(nèi)變化結(jié)果如表1所示。

表1 帆板測試結(jié)果（基本要求部分，單位°）

當(dāng)d＝10cm時(shí)，θ穩(wěn)定在45°，要求時(shí)間10s，并有聲光提示，測試結(jié)果如表2所示。

表2 帆板測試結(jié)果（基本要求部分）

發(fā)揮部分1，當(dāng)d＝10cm時(shí)，鍵盤設(shè)定角度在5s內(nèi)達(dá)到，測試結(jié)果如表3所示。

表3 帆板測試結(jié)果（發(fā)揮部分）

發(fā)揮部分2，距離7-15cm改變，鍵盤設(shè)定角度，要求5s內(nèi)達(dá)到，測試結(jié)果表4所示。

表4 帆板測試結(jié)果（發(fā)揮部分）

2）結(jié)果分析

由測試結(jié)果可看出，當(dāng)用鍵盤調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速快慢，測量帆板升降過程中的角度變化值時(shí)，液晶實(shí)時(shí)顯示的角度值和實(shí)際值有1°的誤差，其中包括讀數(shù)誤差、系統(tǒng)角度采集誤差以及電壓波動(dòng)造成的誤差。當(dāng)設(shè)定45°值后因?yàn)橛布糠植捎蔑L(fēng)道設(shè)計(jì)，所以帆板的抖動(dòng)微弱，多次測量值誤差僅為1°，并且在遠(yuǎn)小于10s內(nèi)即可達(dá)到穩(wěn)定，同時(shí)發(fā)光二極管點(diǎn)亮，蜂鳴器發(fā)出提示音。

在測試發(fā)揮部分要求時(shí)，鍵盤設(shè)定0-60°任意角度時(shí)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在5s內(nèi)達(dá)到設(shè)定角度的要求，同時(shí)可以看出當(dāng)角度增大時(shí)，所需要的時(shí)間增加，但誤差仍能控制在1°以內(nèi)。距離為7-15cm任意變化時(shí)，角度的設(shè)定也是任意的，由于距離的增加，當(dāng)角度變大時(shí)，所需要的時(shí)間有時(shí)會(huì)超出題目所需要的5s以內(nèi)，但系統(tǒng)仍能把誤差控制在2°以內(nèi)，精度達(dá)到要求。

4 結(jié)束語

該控制系統(tǒng)成功的實(shí)現(xiàn)了大賽的基本要求和發(fā)揮部分題目的要求，獲得了2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽全國一等獎(jiǎng)的好成績。

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