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6XFF帆板控制系统
帆板控制系统（F题）设计报告
摘要
本文设计了一种帆板控制系统，采用美国Cygnal公司推出的C8051F系列单片机C8051F020作为帆板控制核心。
采用PID控制算法，控制脉冲宽度调制（PWM），达到控制风扇转速，改变帆板转角的目的。
使用MMA7361倾角传感器检测帆板的转角，利用C8051F020内部A/D采集帆板倾斜角的电压，通过12864液晶显示器显示帆板的转角。
可在设定距离内精确控制帆板角度，具有精度高、误差小、响应速度快、性价比高、工作稳定可靠等优点。
关键字：
C8051F020帆板转角PID算法PWM
1.系统方案选择和论证
1.1控制器的设计方案选择与论证
方案一：
采用STC89C51作为控制核心。
51单片机价格低廉，使用简单，但其运算速度较低，功能也较单一，需外加A/D,增大了硬件电路设计与控制过程复杂度。
方案三：
采用C8051F020作为系统控制器器。
内部有自带的12位AD和自动产生PWM波，有捕捉功能正好满足本系统的需求。
具有运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，由于其功耗低、体积小、技术成熟等优点，各个领域应用广泛。
方案二：
采用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高。
但由于本设计对数据处理速度要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时其芯片引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。
因此排除该方案。
综上所述，本系统采用方案三。
1.2角度检测模块设计方案选择与论证
方案一：
用自制的角度传感器（精密可调电阻+恒流源）。
通过测试，精度基本可以满足要求，但在平衡调整时装置的惯性较大，平衡难度大，易出现可调电阻接触不良。
且装置的体积较大，在帆板上安装困难。
方案二：
采用ZCC211N-232电子罗盘传感器。
是采用磁阻传感器感应地球磁场的磁分量，从而得出方位角度。
该方案精度高，运行稳定，但此传感器要求在水平面上工作，而且在每次使用过程中需要通过键盘调零，使用不太方便。
方案三：
采用MMA7361低成本微型电容式角度传感器。
该集成芯片为专用的水平倾角测量芯片，具有体积小，灵敏度高、使用简单、可靠等优点，可满足该题对平衡角度的精确要求。
比较得方案三精度高，且省去模拟量的采集，简化了系统结构，故采用方案三。
1.3驱动模块的方案选择与论证
方案一：
采用功率管组成Ｈ桥型电机驱动电路，并利用PWM波来实现对输出电压的有效值大小和极性进行控制。
这种调速方式具有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，能耗小等优点，还可以实现频繁的无级快速启动和反转等优点。
方案二：
采用L298专用芯片进行驱动。
L298芯片的工作原理和方案一一致，但是其工作时较方案一稳定，且编程较为简单，便于调试。
另外L298内部集成了两个H桥，能同时驱动两个电机，但根据本系统设计要求成本太高，电路复杂。
方案三：
采用一个三极管和场效应管设做PWM调速。
此方案电路设计简单、成本低、功耗低、调速特性优良等优点。
综上所述，本系统采用方案三。
1.4风扇的方案选择与论证
方案一：
选用台式计算机电源散热风扇。
该风扇风速的稳定性好，重量轻，外观漂亮。
但风扇的风力小，不能吹动帆板的角度在我们所需的范围内。
方案二：
选用电吹风里的直流风扇。
该风扇风量大、效率高、风损小、稳定性好等优点。
满足本系统需求，故选方案二。
1.5系统总体方案
方案一：
采用STC89C52RC单片机作为控制器，示意图如图1-1所示。
此方案是采用MMA7361传感器检测帆板角度，通过ADC0809数模转换后送给STC89C52单片机，实现脉冲宽度调制（PWM）控制脉宽的占空比来控制风扇的一个风速，改变帆板的转角。
利用键盘可以设置脉宽的占空比调节风扇的速度，在12864液晶显示器上显示帆板的角度。
帆板转角θ稳定在45°±5°范围内，控制过程在10秒内完成，实时显示θ，声光报警实现提示。
此方案价格便宜、能够完成本系统要求，但电路复杂,制作困难，占用I/0口多，故此方案不采取。
2、系统的硬件设计与实现
2.1角度检测电路设计与检测原理
本系统采用MMA7361加速度传感器检测帆板的转角。
MMA7361是一款低功耗、低寄生电容的微型机械加速度计，具有尺寸小，自测试，可进行温度补偿等特征。
该器件可用于检测线性运动物体的加速度以及圆运动的加速度。
MMA7361型传感器是根据正压电效应的原理来工作的。
正压电效应是指：
当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
MMA7361传感器与被测对象帆板的转轴一起旋转的过程中，感应三维加速度电压XOUT，YOUT和
ZOUT，只要计算出产生的电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。
将传感器安装在帆板上，当帆板随转轴转动时，传感器与转轴一起转动，输出反映传感器转动加速度的向心加速度电压
ZOUT（加速度电压分量XOUT，YOUT可合成
ZOUT），从而就可通过向心加速度ZOUT（
）得出帆板的转角。
具体计算如下：
（2）
（3）
由
（2）、（3）式可得到转角与向心加速度的其中如下关系式：
（4）
为转轴的向心加速度；r为转轴半径；
为帆板转角。
这样，就可以通过测量帆板转动的加速度得出帆板的转角。
表1为角度传感器的输入输出测量值。
表1角度传感器的输入输出关系
角度
0°
10°
20°
30°
40°
50°
60°
采样电压（v）
1.74
1.84
1.98
2.11
2.26
2.32
2.40
2.5风扇控制电路的设计
单片机C8051F020利用程序实现PID运算，得到不同占空比的PWM波输出，通过光隔HCPL-2630驱动风扇直流电机转动，控制电路如图所示。
PWM波通过驱动器加在直流电动机电枢上，驱动器的功率管工作在开关状态，当器件导通时，器件的电流很大但是压降很小；器件关断时，压降很大但是电流很小。
因此驱动器的功率消耗少，发热量少，效率较高。
PWM脉宽调制方法是直流电机转速控制中最重要也是最常见的一种驱动方式。
采样控制理论中有一个重要的结论：
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节上时，其效果基本相同，这正是PWM控制技术的理论基础。
设占空比为100%的PWM信号经驱动器驱动后其有效电压幅值为U，则占空比为α的PWM波其对应的有效值输出Uα=α*U。
本系统驱动电路采用8550三极管和场效应管IRF630作为开关器件，易于与处理器接口，使用简单。
控制输入端P4输入由单片机产生的PWM波，在一个PWM周期里，电机的电枢承受单极性的电压，电机的速度由PWM的脉宽决定。
根据PWM占空比的大小控制晶体管的开关状态来调节的电机的转速。
当占空比为0时，即电机停止转动。
当占空比为百分之百时，电机处于全速运转状态，风力达到最大，从而帆板的控制角度为最大角度。
电机的转动速度由PWM的占空比的宽度决定。
宽度增大速度则快，即电机加速，宽度减小则电机转动速度减慢，即电机减速。
电路中二极管注意是起续流保护作用。
由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若忽然将电流切断将在功率管两端产生巨大的电压，损坏器件。
为了进一步提高抗干扰能力我们还使用了HCPL-2630高速光电耦合器件组成的隔离电路和控制电路和动力电路进行电气隔离。
图1-5驱动电路原理图
2.6声光报警模块电路的设计原理
声光报警电路的电路原理图如图1-6所示。
P3是接单片机I/O口，三极管的工作条件要求是“发射结正偏，集电结反偏”。
当单片机为高点平时，电流流过电阻R1到三极管9012的基极，明显不满足发射结正偏，处于截止状态，蜂鸣器和发光二极管均不发声和指示报警。
当间距d=10厘米，通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角θ稳定在45°±5°范围内时，单片机I/O口为低电平小于1.4V，使得三极管的基极为低电平，满足三极管的工作条件“发射结正偏，集电结反偏”，三极管处于饱和状态，蜂鸣器和发光二极光分别发音和指示报警。
图1-6声光报警电路原理图
2.2键盘电路设计
键盘采用4*4的行列式键盘。
P4的低4位作为行线输出，P4的高4位作为列线输入。
扫描采用定时方式，单片机每20ms扫描一次。
16个按键分成两大功能区，其中4个作为功能选择键：
菜单功能（并作为数值输入确认键）、按键退出、基本功能菜单、发挥部分功能菜单，10个作为转角数值输入，可以以10进制输入帆板转角设定值。
2.3显示电路设计与原理
显示采用12864液晶显示器进行显示。
12864液晶显示功能强大，可显示各种字体的数字、汉字、图像，还可以自定义显示内容，对于本系统可以通过键盘可以在液晶上制作各种功能菜单，文字符号和图形。
使得系统具有人性化设计。
显示原理图如图1-3所示：
图1-3显示电路原理图
三、系统软件设计
3.1系统总流程图
3.2控制算法设计与实现
帆板转角的控制采用PID控制算法。
离散PID算法如式（）所示。
PID算法包括3种作用，比例作用可对系统的偏差做出及时响应；积分作用主要用来消除系统静差，改善系统的静态特性，体现了系统的静态性能指标；微分作用主要用来减少动态超调，克服系统振荡，加快系统的动态响应，改善系统的动态特性。
被控对象帆板的转角由按键设定给定值θ，角度传感器测量帆板当前转动角度得到θ1（k），单片机对θ与θ1（k）作减法运算，得到偏差△θ（k），式（）中的e（k）即为△θ（k）。
单片机执行PID算法实现对被控帆板转角的控制。
整个系统构成一个闭环系统。
系统的软件设计采用c语言编程，软件开发采用新华龙SiliconLaboratoriesIDE软件平台进行调试。
为了编写和调试的方便，节省资源，程序使用模块化设计，根据各功能要求分别设计程序，大大简化了程序的设计和调试工作，节省设计周期在C8051F020平台上完成了单片机系统的开发，实现了各项设计功能和指标要求。
4.系统测试
4.1测试仪器
表1测试使用的仪器设备
序号
名称
型号
数量
1
数字示波器
ADS1022C
1
2
数字万用表
UT56MULTIMETER
1
3
量角器
1
4
卷尺
1
4.2测试要求与结果
表2测试要求与结果
测试项目
测试要求
实际完成情况
小结
点亮、划亮、反显、屏幕清楚、笔画擦除
基本要求：
完成点亮、划亮、反显、整屏清除。
发挥部分：
笔画擦除连写。
能进行点亮、划亮（达到2秒40个点）、整屏清除和笔画擦除。
功能全部实现
对象拖移
能用光笔将选定显示内容在屏上进行拖移。
先用光笔以“划亮”方式在屏上圈定欲拖移显示对象，再用光笔将该对象拖移到屏上另一位置。
能在划亮方式中选中笔画或者是一个汉字，在对象拖移方式下能把选中的内容拖移到屏幕的任意地方。
完成
连写多字
能结合自选的擦除方式，在30s内在屏上以“划亮”方式逐个写出四个汉字（总笔画数不大于30）且存入机内，写完后再将所存四字在屏上逐个轮流显示。
在25s内在屏上依次写出四个汉字如“大、小、学、生”存入机内，写完后所存四字能在屏上逐个轮流显示。
实现
屏亮自动调节
当环境光强改变时，能自动连续调节屏上显示亮度。
系统转移至黑暗后，显示屏亮度明显下降，反之亦然。
完成
超时关显示节电
1～5min时（此时间可由控制器设定），能自动关闭屏上显示，并使整个系统进入休眠状态，此时系统工作电流应不大于5mA。
可根据设定时间进入休眠状态。
休眠系统电流为3.6mA。
完成
通过测试结果表明，系统能够实现题目要求的点亮、划亮、反显、清屏、笔画拖动、轮流显示、显示亮度调节、休眠模式等主要功能。
但由于时间仓促本设计难免有不足之处。
测试项目
测试要求
实际完成情况
备注
用手转动帆板检测转角
能够数字显示帆板的转角θ。
显示范围为0~60°，分辨力为2°，绝对误差≤5°。
通过按键检测帆板角度
当间距d=10cm时，通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角θ能够在0~60°范围内变化，并要求实时显示θ
检测设置帆板转角在45°±5°
当间距d=10cm时，通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角θ稳定在45°±5°范围内。
要求控制过程在10秒内完成，实时显示θ，并由声光提示，以便进行测试。
帆板转角在5秒内达到设定值
当间距d=10cm时，通过键盘设定帆板转角，其范围为0~60°。
要求θ在5秒内达到设定值，并实时显示θ。
最大误差的绝对值不超过5°。
间距在7~15cm内移动，使转角在5秒内达到设定值
间距d在7~15cm范围内任意选择，通过键盘设定帆板转角，范围为0~60°。
要求θ在5秒内达到设定值，并实时显示θ。
最大误差的绝对值不超过5°。
1.系统主程序
主程序开始工作在一个等待设定状态，当有键按下时系统根据按键模式工作。
本系统采用红外遥控控制，利用定时器中断来实现对其解码。
程序根据设定的模式工作，当遇到特殊情况会自动控制路灯的开关状态。
主流程图如图7所示。
总结
参考文献
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系统总体原理图
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