基于单片机的帆板控制系统的设计

摘 要：本帆板控制系统由STC89C52单片机为主控制器，通过ULN2003对风扇的驱动，应用PID算法和PWM来实现风扇转速的调节。帆板角度检测采用传统机械鼠标原理，经齿轮传动和光电检测将帆板转动的角度转换为数字脉冲，再经单片机处理后用LCD1602对转角θ实时显示。本系统还可以实现声光提示。

关键词：STC89C52；PWM；角度检测；PID算法

中国分类号：TP202

The design of panels control system based on Single-chip microcomputer

ZHONG Ling-ling

(Anhui Xinhua University , Hefei 230088,China )

Abstract: The panels control system consists of the main controller chip STC89C52, through ULN2003 to drive the fan , and using PID and PWM to adjust the fan speed . The system using the traditional mechanical mouse to detect the Panels angle , and the angle of the panels rotation is converted to digital pulses through the gear drive and the optical detection, and processed by Single-chip microcomputer then real-time display the angle θ with the LCD1602 . The system can also achieve sound and light tips。

Key words: STC89C52;PWM; Angle detection；PID algorithm

1 引言

该系统是设计并制作一个帆板控制系统，通过对风扇转速的控制，调节风力大小，改变帆板转角θ。能够在间距10cm控制风扇转速，调节风力大小，从而使帆板角度在0~60°范围内变化，分辨力为2°，绝对误差≤5°。

1.1 设计思想

经分析本题是一个控制类的题目，所以采用单片机作为主控制器。对于风扇风力的大小就是要控制它的转速，这样帆板才可以在一定的角度范围内任意转动。因题目中要求能够实时显示帆板转角θ，所以系统中应有角度检测装置和显示器。

1.2 特点

（1）采用PWM用纯软件的方法来实现调速过程，具有更大的灵活性和更低的成本，能够充分发挥单片机的效能。

（2）角度检测装置采用传统机械鼠标原理检测角度，可以废物利用，大大节约成本，且精度高，能够本设计的要求。

（3）在风扇调节模块中应用了PID控制技术，使整个系统的实现达到稳、准、快。

2 方案设计

2.1系统方案

本系统主要由单片机控制模块、风扇转速控制模块、帆板角度检测模块、电源模块，键盘显示模块、声光提示模块组成。本设计重心是风扇转速控制模块和帆板角度检测模块，所以分别对这两个模块进行论证。

2.1.1风扇转速控制模块的论证与选择

方案一：用旋转变流机组获得可调直流电压，从而完成风扇的调压调速。该系统具有很好的调速性能，但系统复杂、体积大、效率低、运行有噪声、维护不方便。

方案二：利用脉宽调制PWM变换器的功率开关器件通断实现控制，调节通断时间比例，将固定的直流电流电源电压变成平均值可调的直流电压，从而完成风扇的调速。PWM调速的优点是调速系统频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行稳定，调速范围广可达1:10000左右。同样由于开关频率性能好，弱于运行的电机相配合系统可以获得很宽的通频带，因此快速响应好，动态抗干扰能力强。同时将PWM调速与PID算法结合，能快速的实现调速。

综合以上论述，拟定方案二。

2.1.2帆板角度检测模块的论证与选择

方案一：利用导电塑料角位移传感器WDD35D-4，该传感器阻值范围宽、线性精度高、分辨力强，耐磨寿命特别长。但其温度系数和接触电阻较大，价格高昂。

方案二：利用传统机械鼠标原理，帆板连轴带动齿轮通过两级传动，由马盘转动经光电传感器将角移转换为数字脉冲，从而实现角度的检测。价格便宜。

考虑到价格因素，另外现在机械鼠标基本被淘汰，考虑到废物利用节约成本，拟定方案二。

2.2系统总体设计

本设计总体框图。

单片机STC89C52是系统的主控器，完成对系统的整个控制。

风扇驱动电路是为了驱动风扇工作，满足它的功率要求，实现单片机弱电对强电的控制。

角度检测电路可以实现对帆板转动角度θ的检测。

显示器LCD1602用来显示设定角度及帆板转动的实时角度。

键盘用来控制风扇风力大小，且设定帆板角度。

声光提示用来完成当帆板转到所设定的值后发出声光报警。

2.2.1硬件设计

在整个硬件电路中共有6个部分，整体硬件电路图见附录一，这里重点介绍风扇驱动电路和角度检测电路。

（1）风扇驱动电路

ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点。适应于各类要求高速大功率驱动的系统。输入为5VTTL电平，输出可达500mA/50V。

单片机P1.7口输出PWM信号送给2003，经2003放大反相后输出给风扇，从而完成对风扇的驱动。风扇的另一脚由电池组供电。

（2）角度检测电路

下面是利用传统机械鼠标原理，帆板连轴带动齿轮通过两级传动，带动具有格栅状的栅轮转动，经光电传感器将角移转换为数字脉冲，发送至单片机，以实现角度的计算。

2.2.2软件设计

3 测试

为了确定系统与题目要求的符合程度，对系统中的PWM调制部分进行了实际的测试。

根据d=10cm时多次测量所得角度与pwm占空比的平均值

利用matlab将以上所得数据拟合为线性函数。

利用该式指导控制参数调节中数据的计算和分析。拟合前后数据二维坐标。

4结论

本系统以单片机STC89C52为核心部件，利用PWM、ps/2协议、光电检测并配合增量式PID算法实现了对直流电机转速的控制、声光提示、LCD1602实时显示、键盘控制、帆板角度检测等功能，完成了帆板控制系统的设计，在系统设计过程中，力求硬件线路简单，充分利用软件编程方便灵活的特点，来满足系统设计要求。

参考文献：

[1]张正伟.传感器原理与应用[M].北京：中央广播电视大学出版社，1991.

[2]胡寿松.自动控制原理[M](第4版).北京：科学出版社，2001.

[3]杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M].北京：高等教育出版社，1998.

[4] 张永枫.单片机应用实训教程[M](第3版).西安:西安电子科技大学出版社，2006.

[5] 张志良.单片机原理与控制技术[M](第3版).北京:机械工业出版社，2005.

基金项目：安徽新华学院校级教研项目，2009jy001

收稿日期：2011/11/18

作者简介：钟玲玲（1980-），女，安徽省合肥市，讲师，硕士，主要研究方向为智能信息处理。

联系方式：钟玲玲，安徽新华学院电子通信工程学院（230088），zll992dz@sohu.com，13705511342

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