帆板控制系统.docx
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帆板控制系统
2011年全国大学生电子设计竞赛
帆板控制系统（F题）
【高职高专组】
2011年9月1日
摘要
本系统通过对直流小风扇风速的调节实现对帆板转角
的控制，使帆板转角
能够随风速变化而改变，且能快速达到设定角度并稳定。
以AT89S52单片机为控制核心，通过键盘设定帆板角度，12864实时显示角度。
单片机输出PWM波控制风扇的风速，通过倾角传感器WDD35D4测量帆板的倾角反馈至单片机，采用PID控制经典算法，使系统实现精确控制，然后微调风速的大小使帆板角度达到稳定。
并且在达到设定范围时进行声光报警提示。
通过调试与测试，实现了基本部分与发挥部分，最终实现在间距一定时5秒内帆板达到设定角度，且最终绝对值误差不超过5度.
关键字：
12864;WDD35D4;PWM;PID算法
Abstract
ThesystembyDCsmallfanspeedadjustmenttoachievethecornerofthecontrolpanels,cornerpanelstomakechangesinwindspeedchanges,andcanquicklyreachthesetpointandstable.AT89S52microcontrollerforthecontrolofthecore,throughthekeyboardanglesetwindsurfing,12864real-timedisplayangle.Single-chipPWMoutputcontrolfanspeed,measuredbyinclinationsensorWDD35D4windsurfinginclinationfeedbacktothemicrocontroller,usingtheclassicalPIDcontrolalgorithm,thesystemtoachieveprecisecontrol,andthenfine-tunethesizeofthepanelswindangletostabilize.Andthesettingrangeisreachedwhensoundandlightalarm.Throughthedebuggingandtesting,toachieveabasicpartandplayapart,andultimatelyinacertaindistancewithin5secondswhenthepanelstosettheangle,andthefinalabsoluteerroroflessthan5degrees.
Keywords:
12864;WDD35D4;PWM;PIDalgorithm
帆板控制系统（F题）
【高职高专组】
1系统方案
根据题目要求,本系统可以分为控制部分和信号检测部分.控制部分则包括显示模块、按键模块、声光报警模块、风扇驱动模块四个基本部分。
信号检测部分为角度测量模，测量帆板的角度。
下面分别论证这几个模块的选择。
1.1角度测量方案选择
方案1:
采用由UZZ9001和KMZ41组成角度测量模块，KMZ41是一种利用磁阻效应测量角度的传感器，采用非接触的方式利用磁场对介质材料电阻的影响将角度信号转换为电信号，能够对180范围内的角度信号进行测量，并利用SPI方式提供11位的角度信号输出。
避免了由接触面带来的损耗，该型传感器体积小、价格低、寿命长等优点。
但使用该方案需外加磁场，外界磁场对角度测量影响误差大，故不选用此方案。
方案二：
采用MMA7260重力加速度传感器，由于加速度传感器在静止放置时受到重力作用，因此会有1g的重力加速度。
利用这个性质，通过测量重力加速度在加速度传感器的X轴和Y轴上的分量，可以计算出其在垂直平面上的倾斜角度。
根据如图1.1所示，有Ax=gsinα，Ay=gcosα。
则
=tanα即α=arctan（
）.这样，根据以上原理一个2轴加速度传感器可以测量在X-Y平面上的倾斜角度。
该方案原理简单，操作方便，但使用起来运算量较大，程序较为复杂，对于单片机来说，会显得有点吃力，因此我们放弃选用该方案。
图1.1加速度传感器角度测量原理
方案三：
采用WDD35D4角度传感器（精密电阻式），WDD35D4角度为机械位移量转换成电信号，将传感器的安置在固定部位，通过电刷在电阻基体上的位移来测量不同的阻值，再通过AD0804转换传递给单片机，实现角度检测，WDD35D4有机械寿命长，分辨率高，转动顺滑，动态噪声小的优良性能。
且该方案实现较易，精度为1.4度，符合设计要求。
故综合考虑实际中选择方案三。
1.2风扇控制方案选择
方案一：
采用可控硅控制调速，通过控制双向可控硅的导通角，使输出端电压发生改变，从而使施加在电风扇的输入电压发生改变，以调节风扇的转速，实现各档位风速的无级调速。
但可控硅控制控制原理决定了只能滞后触发，因此，晶闸管可控制整流器对交流电源来说相当于一个感性负载，吸取滞后的无功电流，因此功率因素低。
并且晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，而且脉波数总是有限的。
如果主电路电感不是非常大，则输出电流总存在连续和断续两种情况，因而机械特性也有连续和断续两段，因此功率因素低，故我们不选用该方案。
方案二：
采用直流斩波控制，改变电压输出开关断时间，将直流电源电压断续加到负载上，即可实现风扇调速控制，它具有效率高、体积小、成本低等优点。
我们可以采用单片机由软件来实现PWM波，简化系统硬件设计，通过改变PWM波的占空比的值即可改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。
再加上PID算法控制，而整个系统的PWM波形的产生是通过PID算法调节，这样提高了系统的稳定性和可靠性，让系统控制更加精确。
故综合考虑实际中选择方案二。
1.3显示方案选择
方案一：
使用数码管显示，通过数码管显示被测角度和设定角度。
该方案程序简单，但硬件占用单片机I/O口较多，对于尽量节约端口，让线路简单来说不是好方法，而且显示也不够直观灵活，只能显示数字，不能显示汉字显示功能提示，故不适合本次设计应用。
方案二：
使用液晶屏LCD12864，具有体积小，使用方便等特点。
并且可以显示字母，数字及汉字等功能，观察显示很直观，通过字幕显示各种菜单界面、设定角度、测量角度等。
该方案程序较复杂，但显示观察清晰，显示直接明白，完全符合本系统设计功能。
故为最佳方案，我们选择方案二。
1.4控制器方案选择
方案一：
采用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器；将所有的器件集成在一块芯片上，这样外围电路较少，控制板的体积小，稳定性高，扩展性能好；而且FPGA采用并行的输入/输出方式，系统处理速度快，再加上FPGA有方便的开发环境和丰富的开发工具等资源可利用，易于调试；但是FPGA得成本偏高，算术运算能力不强，而本设计系统的设计会用到较多算术运算，所以FPGA的高速处理的优势得不到充分体现。
方案二：
采用Atmel公司的AT89s52单片机作为系统的控制器。
单片机算术运算功能强，软件编程灵活，可用软件较简单的实现各种算术和逻辑控制，并且由于其成本低，体积小和功耗低等优点，使其在各个领域应用广泛；另外，由于本设计中会用到较多的算术运算，所以对本系统来说非常适合利用单片机作为控制器。
基于以上分析，选择方案二。
2系统理论分析与计算
2.1风扇调试原理
单片机控制的小型直流电机的一般采用PWM脉冲调制方式实现速度的控制。
PWM基本原理:
PWM即脉冲宽度调制（定义），是直流电源电压基本不变的情况下通过电子开关的通断，改变施加到电机电枢端得直流电压脉冲宽度（即所谓的占空比），以调节输入电机电枢的电压平均值的调速方式。
通过改变固定周期内直流电压的占空比来改变电机两端的直流平均电压，进而达到控制风力大小的一种方法。
PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。
通过改变直流电机电枢上电压的"占空比"来改变平均压的大小，从而控制电动机的转速。
只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。
设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax,设占空比为D=t1／T，则电机的平均速度为式中，Vd--电机的平均速度；Vmax--电机全通电时的速度（最大）；D=t1／T---占空比。
由此可见，当我们改变占空比D：
t1／T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，严格地讲，平均速度Vd与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。
2.2角度测量原理
WDD35D4角位移传感器的功能在于把角度机械位移量转换成电信号。
为了达到这一效果，通常将可变电阻基体定置在传感器的固定部位，通过电刷在电阻基体上的位移来测量不同的阻值。
传感器滑轨连接稳态直流电压，允许流过微安培的小电流，电刷和输出端之间的电压，与电刷在电阻基体上滑过的角度成正比。
这样就可以将角度与阻值的对应关系算出，通过AD0804模数转换进行角度转换然后传递递给控制器，AD0804为八位数据转换芯片，故系统最小精度可以达到1.4度，符合题目要求。
2.3PID控制算法的分析
PID控制算法是控制理论中应用很广泛的一种算法，对于一般控制系统来说，PID算法从某种意义来说具有通用性，对各种系统具有广泛的适用性，通过现场的参数调试，可以达到很好的控制效果。
对于我们这次帆板控制系统的设计，我们同样也可以使用PID控制算法，具体算法如下：
e（i）=t测-t设
E=
（2）
算法中，u（i）为当时的功率输出。
T为采样时间，E为误差积累，KP为比例常数，Ti为积分常数，Td为微分常数。
根据实际系统，调节这三个常数，可以达到很好的效果。
3电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图
系统总体框图如图3.1所示：
图3.1系统总体框图
3.1.2角度检测电路
利用将角位移传感器WDD35D4的角度机械位移量转换成电信号，通过电刷在电阻基体上的位移来测量不同的阻值。
传感器滑轨连接稳态直流电压，允许流过微安培的小电流，电刷和输出端之间的电压，与电刷在电阻基体上滑过的角度成正比。
然后再将测得阻值电信号通过模数转换芯片AD0804转换为数字信号传递给单片机进行调速控制。
其电路图如图3.2所示：
图3.2角度检测电路
3.1.3风扇驱动电路
采用单片机产生PWM波，简化硬件电路设计，实现性价比高特点，改变PWM波的占空比的值即可改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。
外加LM298驱动电路，即可完全实现调速控制。
LM298N它采用单片集成塑装，是一个高电压、大电流全双桥驱动器，由标准的TTL电平控制。
L298N支持50V以内的电机控制电压，在直流运转条件下，可以通过高达2A的电流，因此它满足了一般小型电机的控制要求。
接法见图3.3，图中二极管的作用是消除电机的反向电动势，保护电路，因此采用整流二极管比较合适。
PWM控制信号由in1、in2输入。
如果in1为高电平，in2为低电平时电机为正向转速，反之in1为低电平，in2为高电平时，电机为反向转速。
本设计将in2直接接地，即采用单向制动的方式。
图3.3风扇驱动电路
3.1.4按键及显示电路
图3.412864显示电路
本设计采用四个键作为键盘，分别为选择、加、减、确定。
它们分别与P1.5、P1.6、P1.7、P3.6接口相连。
作为设置角度及功能的设置转换的输入。
图3.5按键输入电路
3.1.5电源电路
电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。
为整个系统提供5V或者12V电压，确保电路的正常稳定工作。
这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
2、程序设计思路
3.2.2程序流程图
1、主程序流程图如图3.2所示；
图3.2主程序流程图
2、XXX子程序流程图
4测试方案与测试结果
4.1测试方法与仪器
测试方法：
先通过KeilC51软件实现程序调试和进行初步仿真，再通过protues仿真软件搭建电理图，实现对程序功能的实现仿真,并且用虚拟仿真软件Multisim对硬件电路实现功能仿真，确保电路无误后，在制作硬质电路板，焊接电路，实现软硬件联合调试。
测试仪器：
量角器、秒表、直尺、模拟示波器、数字示波器、数字万用表、指针式万用表。
4.2测试过程及数据
1.测试基本功能一：
用手搬动帆板时，数字显示帆板的转角
。
实际测试时，帆板角度能够从0·60度变化，符合题目要求。
2.测试基本功能二：
当间距为10cm时，控制风力大小，使帆板角度能够在0·60度范围变化，并实时显示角度。
测试中，帆板角度能在0·60范围内变化，测试显示数据如表1所示：
风力大小（%）
角度（°）
5
6
10
12
16
20
26
32
35
38
46
46
55
54
82
56
91
60
表1基本功能二测试
3.测试基本功能三：
当间距为10cm时，通过控制按键控制风力大小，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。
测试数据如表2所示：
风力大小（%）
角度（°）
用时（s）
52
48
6.3
51
48
3.1
43
44
3.1
表2.基本功能测试三
4.测试发挥功能一：
当间距d=10cm时，通过键盘设定帆板转角，其范围为0~60。
要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°测试数据如表3所示：
设定角度（°）
实际角度（°）
风力大小（%）
调整时间（s）
6
2
11
3
15
14
12
3
20
24
17
5
29
28
22
3.6
40
36
43
1.2
55
54
76
1.2
60
58
80
1.2
5测试发挥功能二：
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°。
测试数据如表4所示
4.3测试分析与结论
根据上述测试数据，系统完全符合要求，误差在允许范围内，实现全部功能，有些指标还很高精度。
由此可以得出以下结论：
综上所述，本设计达到设计要求。
附录1：
电路原理图
附录2：
实物图
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