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帆板控制系统
帆板控制系统（F题）
摘要：
根据题目的基本要求和提高部分的具体要求，我们以STC15A60S2单片机为核心部件，4*4键盘和128*64液晶显示用来实现人机人机交互功能，其中通过键盘将需要设置的参数和状态输入到单片机中，并且通过控制器显示到显示器上。
在运行过程中控制器产生PWM脉冲送到风扇驱动电路中，经过放大后控制转速，同时利用角度测量检测模块将当前角度反馈到控制器中，控制器经过数字PID运算后改变PWM脉冲的占空比，实现对角度测量的目的，测量结果精度高，达到速度快。
关键词：
键盘控制PWMPID精度高速度快
目录
一、方案设计与论证
1.1控制模块................................................3
1.2风扇电机驱动模块............................................3
1.3显示模块................................................3
1.4角度检测模块................................................4
1.5电源模块....................................................4
二、系统理论分析与计算..........................................4
2.1风扇控制电路的基本分析.....................................5
2.2角度测量原理...............................................6
三、电路与程序设计.................................................7
3.1电路设计....................................................7
3.1.1系统的总框图.........................................8
3.1.2最小单片机系统设定.................................8
3.1.3风扇电机驱动电路设计.................................9
3.1.4键盘电路设计.......................................10
3.1.5显示电路设计..........................................8
3.1.6电源设计..............................................8
3.2程序设计...............................................9
3.2.1基本思路.............................................9
3.2.2PID算法.............................................9
3.2.3PID在单片机中运用的实现............................11
3.2.4程序流程图.....................................11
3.2.4.1主程序流程图..................................11
3.2.4.2PWM产生流程图...............................12
四、系统测试方案与测试结果.........................................13
4.1测试方案......................................13
4.1.1硬件测试......................................14
4.1.1.1风扇电机驱动电路测试.......................14
4.1.2软件仿真测试.................................14
4.1.3硬件软件联调...................................14
4.2测试条件与仪器.................................14
4.2.1测试条件.................................14
4.2.2测试仪器.................................14
4.3测试结果与分析.................................15
五、参考文献................................................16
附总电路原理图.............................................17
一、方案设计与论证
经初步分析设计要求，得出总体电路由以下几部分组成：
控制模块，风扇电机驱动模块，显示与键盘模块，角度检测模块。
以下就电路模块给出设计方案。
1.1控制模块
方案一：
采用STC15A60S2单片机进行控制。
本设计需要使用的软件资源比较简单，只需要完全数控部分，键盘输入以及显示输出功能，采用STC15A60S2进行控制比较简单且价格便宜,性价比高。
方案二：
采用MSP430F149单片机进行控制。
MSP430F149单片机资源更丰富，但使用复杂一些且价格贵。
经综合考虑和分析，本设计采用方案一更实用一些。
1.2风扇驱动模块
方案一：
采用继电器驱动电动机，，通过开关的切换对的电动机的速度进行调整。
此方案电路简单，但继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命短、可靠性低。
方案二：
采用集成有桥式电路的电动机专用驱动芯片，如L298、LMD18200，电路硬件简单，性能可靠，但成本较高。
方案三：
采用电阻网络调整电动机的分压，从而达到调速的要求，但是电阻网络只能实现有限级的调速，且一般电动机的电阻很小，所以需要较小的电阻进行分压,导致分压电阻上功率消耗非常大,降低效率，而且也难以实现。
方案四：
采用场管IRF540来驱动电动机，IRF540具有大电流低导通电阻的N沟道场效应管。
经综合考虑和分析，本设计选择方案四，更符合本次设计。
1.3显示模块的选择方案
方案一：
采用LED数码显示，由于要求显示设定值和测量值，需要显示的值比较多，整个显示资源比较多，整个显示界面显得不太友好。
方案二：
采用LCD液晶显示器显示，采用128*64点阵LCD液晶显示，可视面积大，效果好，抗干扰能力强，调用方便简单，而且节省了软件中断资源。
其缺点在于显示从容需要存储字模信息需要一定存储空间。
经综合考虑和分析，本设计选择方案二。
1.4角度测量模块
方案一：
采用增量式旋转编码器，用增量式旋转编码器测量角度，测量很精确，产生的误差相当小。
方案二：
采用电位器，利用对电位器按钮的旋转电阻，但是电位器对于角度的测量都有很大的偏差。
经综合考虑和分析，本设计选择方案一。
5电源的选择
方案一：
采用单一电源。
这样供电电路比较简单，但是由于电动机启动瞬间电流较大，而PWM驱动的电动机电流波动很大，会造成电压不稳。
方案二：
采用集成稳压器7805和7812芯片。
7805和7812是将调整管、取样放大、基准电压、启动和保护电路等全部集成在一块半导体上形成的一种稳压集成块，集成稳压器功能全、性能好、体积小、重量轻、应用灵活，工作可靠，而且安装调试简单。
经综合考虑和分析，本设计选择方案方案二。
二、系统理论分析与计算
2.1风扇控制电路的基本分析
2.1.1PWM控制基本原理
在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具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
冲量即指窄脉冲的面积。
这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。
如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。
例如图2.1中a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，其中图2.1的a为矩形脉冲，图2.1的b为三角脉冲，图2.1的c为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。
当窄脉冲变为如图2.1的d所示的单位脉冲函数
时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。
图2.1形状不同而冲量相同的脉冲过渡函数
图2.1a的电路是一个具体的例子。
图中
为窄脉冲，其形状和面积分别如图2.1的a、b、c、d所示，为电路的输入。
该输入加在可以看成惯性环节的R-L电路上，设其电流
为电路的输出。
图2.1b给出了不同窄波时
的响应波形。
从波形可以看出，在
的上升段，脉冲形状不同时
的形状也略有不同，但其下降段几乎完全相同。
脉冲越窄，各
波形的差异也越小。
如果周期性的施加上述脉冲，则响应
也是周期性的。
用傅立叶级数分解后将可看出，各
在低频段的特性非常接近，仅在高频段有所不同[2]。
图2.11冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
2.1.2直流风扇的PWM控制
根据PWM控制的基本原理可知，一段时间内加在惯性负载两端的PWM脉冲与相等时间内冲量相等的直流电加在负载上的电压等效，那么如果在短时间T内脉冲宽度为
幅值为U，由图1.6可求得此时间内脉冲的等效直流电压为：
图2.2PWM脉冲
，若令
，即为占空
比，则上式可化为：
（U为脉冲幅值）
若PWM脉冲为如图1.7所示周期性矩形脉冲，那么与此脉冲等效的直流电压的计算方法与上述相同，即
（
为矩形脉冲占空比）
图2.3周期性PWM矩形脉冲
由式2.3可知，要改变等效直流电压的大小，可以通过改变脉冲幅值U和占空比
来实现，因为在实际系统设计中脉冲幅值一般是恒定的，所以通常通过控制占空比
的大小实现等效直流电压在0～U之间任意调节，从而达到利用PWM控制技术实现对直流电机转速进行调节的目的。
2.角度测量原理
增量旋转是一种将旋转位移转换为一连串数字脉冲信号的旋转式传感器。
这些脉冲用来控制角位移。
在编码器中角位移的转换采用了光电扫描原理。
读数系统以由交替的透光窗口和不透光窗口构成的径向分度盘（码盘）的旋转为依据，同时被一个红外光源垂直照射，光把码盘的图像投射到接收器表面上。
接收器覆盖着一层衍射光栅，它具有和码盘相同的窗口宽度。
接收器的工作是感受光盘转动所产生的变化，然后将光变化转换成相应的电变化。
再使低电平信号上升到较高电平，并产生没有任何干的方形脉冲，这就必须用电子电路来处理。
读数系统通常采用差分方式，即将两个波形一样但相位差为180°的不同信号进行比较，以便提高输出信号的质量和稳定性。
读数是再两个信号的差别基础上形成的，从而消除了干扰。
增量编码器给出两相方波，它们的相位差90°，通常称为A通道和B通道。
其中一个通道给出与转速相关的信息，与此同时，通过两个通道信号进行顺序对比，得到旋转方向的信息。
还有一个特殊信号称为Z或零通道，该通道给出编码器的绝对零位，此信号是一个方波与A通道方波的中心线重合。
如图所示
图2.4两相方波波形图
表2.4增量式编码器
顺时针运动
逆时针运动
AB
11
01
00
10
AB
11
10
00
01
三电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1系统的总框图
.2最小单片机系统设定
图3.1系统框图
3.1.2最小系统电路设计
最小系统的核心为STC15A60S2，为了方便单片机引脚的使用，我们将单片机的引脚用接口引出。
其电路如图所示
图3.2单片机最小系统
3.1.3风扇电机驱动电路设计
风扇模块是控制器与执行器之间的桥梁，在本系统中单片机的I/O口不能直接驱动风扇，只有引入电机驱动模块才能保证电扇按照控制要求运行在这里选用场管IRF540进行驱动.IRF540N沟道MOS管具有低的导通内阻。
单片机产生PWM就会使它导通。
IRF540N的导通起控电压为2-4V，GS极之间最高电压不能超过20V，质量较好的管子GS加6-8V就已经饱和导通（内阻最小），所以使用时如果有脉动或尖峰电压时，最好在GS两极之间接入一12-15V的快速稳压管。
通过调整输入脉冲的占空比，调整电动机转速。
图3.3电机驱动电路
3.1.4键盘电路设计
在设计中，使用标准的4*4键盘，可以实现0~9数字输入，实现P、I、D三个参数和角度的设定，，置其电路图如图所示电路原理图如图4.8所示。
图中P.4～P1.7为4×4键盘的列信号，P1.0～P1.3为4×4键盘的行信号。
图3.4键盘控制电路
3.1.5显示电路设计
本设计采用128*62型汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16*16点阵）、128个字符（12*16点阵）、及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。
可显示内容为192列*64行，还带多种软件功能：
光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。
128*64采用8位并行接法与单片机P0和P1口相连，用于显示角度设定值和角度测量值，其接口如图所示：
图3.5液晶显示电路
3.1.6电源电路设计
电源是整个系统的能量来源，它直接关系到系统能否运行。
在本系系统中直流电机需要24V电源，而单片机、显示模块等其它电路需要5V的电源，因此电路中选用7805和7812两种稳压芯片，其最大输出电流为1.5A，能够满足系统的要求，其电路如图3.6所示。
图3.6电源
3.2软件设计
3.2.1基本思路
软件设计采用C语言,对STC15A60S2进行编程实现各种功能。
用PID算法输出PWM.
3.2.2PID算法
将偏差的比例（Proportion）、积分（Integral）和微分（Differential）通过性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这一算法是工程上常的高效算.能在外界条件变换并影响被控对象后快速调整,以使被控对象恢复正常工作。
本系统的基础数学建模如下:
图3.7基础数学建模
给定速度为
，实际转速
，由此得到误差
，经过PID计算后得到输出量
控制直流电机。
图3.8PID内部流程图
输出量
=
式3.1
其中Kp是控制的比例系数
Ti是积分系数
Td是微分系数
PID的三个部分有着各自的作用.
比例部分是对偏差瞬间作出反应,由公式3.1可知,一旦偏差e（t）产生,就会Kp*e（t）的输出.比例系数越大,由偏差到稳定的过渡过程就越快,但是Kp太大会产生稳定点附近的振荡,。
故而,比例系数选择必须恰当,才能过渡时间少,静差小而又稳定的效果。
积分部分部分的作用由公式3.1可知,
式3.2
只要偏差存在,控制作用就会不断的增加;只有在偏差为e（t）=0的时候,积分才是一个常数.。
它的作用是消除系统的偏差，积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超重量。
积分常数越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不会产生震荡，但是增大积分常数会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间也可以较长，但可以减少超重量，提高系统的稳定性。
当Ti较少时，则积分的作用较强，这时系统过渡时间中有可能产生震荡，不过消除差所需的时间较短。
所以必须根据实际控制的具体要求来确定Ti。
微分部分的公式为:
式3.3
实际的控制系统除了希望消除静态误差外，还要求加快调节过程。
在偏差出现的瞬间，或在偏差变化的瞬间，不但要对偏差量做出立即响应（比例环节的作用），而且要根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正。
为了实现这一作用，
可在PI控制器的基础上加入微分环节，形成PID控制器。
微分环节的作用使阻止偏差的变化。
它是根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制。
偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。
微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对髙阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。
但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。
微分部分的作用由微分时间常数Td决定。
Td越大时，则它抑制偏差变化的作用越强；Td越小时，则它反抗偏差变化的作用越弱。
微分部分显然对系统稳定有很大的作用。
适当地选择微分常数Td，可以使微分作用达到最优。
3.2.3PID算法在单片机系统的实现
显然以上讨论都是在连续时间域条件下的情况.而在单片机这样一个不连续的时间域系统上,需要模拟算法来实现PID。
由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量量，进行连续控制。
因此采用以下的离散化算法：
以上两项为积分和微分部分.
最终简化得到:
其中k是采样序号
Uk是第k次采样后的输出值
Ek是第k次采样时的偏差值
Ek-1是k-1次时的偏差值
如果采样周期足够小，近似计算可以获得足够精确的结果，离散控制过程与连续过程十分接近。
3.2.4程序流程图
3.2.4.1主程序图
在一个完整的系统中，只有硬件部分是不能完成相应设计任务的，所以在该系统中软件部分是非常重要的，按照要求和系统运行过程设计出主程序流程如图4.3所示。
图3.9主程序流程图
3.2.4.2PWM产生程序图
在本系统中产生的PWM，给风扇提供一个信号
图3.10PWM产生流程图
四系统测试方案与测试结果
4.1测试方案
根据方案设计的要求，调试过程共分为三大部分:
硬件测试，软件测试，软硬件联调。
电路按模块调试，各模块逐个调试通过后再联调。
单片机软件先在最小系统板上调试，确定工作正常后，再与硬件系统联调。
4.1.1硬件测试
风扇电机驱动电路调试时，在N沟道的场管IRF540的门极输入一个3V的高电平，数字万用表测量源极电压，将电压与漏极电压比较，看其导通状态，将直流风扇接在24V电源和漏极之间，在门极输入方波信号，调节其占空比，观察风扇转速
4.1.2软件仿真测试
本系统的软件部分，全部采用C语言编写，除去语法错误和逻辑错误后，通过直接下载到单片机具体调试。
采用了自上到下的调试方法，即先单独调试好每一项功能，然后再连接成一个完整的系统调试，成功下载到单片机统调。
这样保证了软件编写的正确性和可行性。
4.1.3硬件软件联调
调试整个系统时，我们把软件编出的每一项功能结合相应的硬件进行调试。
这样保证在综合调试的时候，顺利查找错误，具体分析解决。
在软硬件都基本调通的情况下，系统的软硬件联调问题不是很大。
4.2测试条件与仪器
4.2.1测试条件
检查多次，仿真电路和硬件电路与系统原理完全相同，并且检查无误，硬件电路无虚焊。
4.2.2测试仪器
UT56MULTIMETER数字万用表
UT2062C数字示波器60MHZ
FF40信号发生器40MHZ
CA17303D稳压电源。
4.3测试结果与分析
4.3.1测试结果
序号
设定值
读取值
实际误差
1
10°
9°～11°
±1°
2
20°
19°～21°
±1°
3
22°
21°～23°
±1°
4
23°
22°～34°
±1°
5
25°
24°～26°
±1°
6
30°
29°～31°
±1°
7
35°
33°～37°
±3°
8
37°
36°～38°
±1°
9
40°
38°～42°
±2°
10
44°
42°～41°
±2°
11
47°
45°～48°
±2°
12
53°
52°～53°
±1°
13
55°
54°～56°
±1°
14
61°
60°～61°
±1°
15
66°
65°～67°
±1°
4.3.2测试分析与结论
首先本系统主要通过单片机的软件设计的PID计算调节输出PWM波的占空比从而控制在电机的转速，PID算法的精度会直接引起测量数据的误差。
误差不超过±2°根据以上实验结果可以看出，该系统使用了PID控制以后，可以更有效的减少误差，达到更好的结果。
整机测试指标完全达到了题目的基本要求和发挥部分，在角度测量精度上高。
测量时因受外面风的影响，从而会影响角度的测量，产生一些误差。
由于使用C51单片机，从而由频繁中断导致程序运行速度减慢，造成无法产生较高频率的PWM信号。
进而影响了风扇的最大转速，造成了一定的局限性。
采用单片机自身PWM信号，可设置较高频率扩大了选择性，使PID控制更精确。
参考文献
1李万臣主编。
《模拟电子技术基础实验与课程设计》.哈尔滨工程大学出版社。
2田良，王尧等主编〈综合电子设计与实践〉东南大学出版社。
3童诗白主编《模拟电子技术基础》高等教育出版社
4那文鹏、王昊主编.通用集成电路的选择与使用.北京:
人民邮电出版社,2004
5郭天祥编著.51单片机C语言教程..北京：
电子工业出版社,2009
6高吉祥主编.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程模拟电子线路设计，北京：
电子工业出版社,2010
附录：
原理图
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