帆板角度控制系统的设计与实现

2013-09-14李小琴

电子科技 2013年2期

李小琴

(宁波职业技术学院电子信息工程系，浙江宁波 315800)

帆板控制系统，通过对风扇转速的控制，调节风力大小，改变遮风板转角θ，显示范围为0°～60°，分辨力为2°，绝对误差≤5°;当间距d=7～15 cm 时，通过操作键盘控制风力大小，控制帆板转角θ，θ在0°～60°，要求控制过程在5 s内完成，并实时显示，且有声光提示。如图1所示。

图1 帆板控制系统示意图

1 总体方案确定

帆板控制系统总体框图主要由单片机、角度信息采集模块、键盘输入模块、显示模块、电机驱动模块以及电源模块构成。系统设计总体框图如图2所示。

图2 系统总体框图

(1)角度信息采集模块:采用HEDS9701槽型光耦加360线光栅片组成的编码器获取帆板的角度信息，分辨率为1°，符合设计要求，且已经是数字信号，无需通过A/D采用模块输入单片机系统，稳定可靠。

(2)电机驱动模块:选用直流电机风扇，工作电流1.2 A，工作电压12 V。经测试，风力能将帆板吹至约80°。采用单片机STC89C54作为主控芯片，通过编码器输出的正交信号可以实现直流电机的正反转控制，通过PWM方式控制风扇转速，从而实现对帆板的角度控制。

(3)控制系统的选择:选用STC89C54作为主控器件，STC系列单片机是红星科技生产的单时钟、机器周期(IT)单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051。

2 理论分析与计算

2.1 角度信号的产生与计算

角度通过编码器输出的正交信号进行计算获得。如图3所示，A、B分别是传感器输出的两路正交信号。

图3 正交信号

表1 正交信号4种情况

如表1所示，正交信号A和B共同组成了4种情况，如当前A为1;B为0时;信号变为A为0;B为0，则帆板往反方向转，角度减少1°;信号变为A为0，B为1，则帆板往正方向转，角度增加1°;以此类推，正反方向各共有4种情况。

2.2 PID控制直流电机算法介绍

设计采用PI转速控制，PI控制实现采用常规方法，并包含了一个(Kc*Excess)项以抑制积分饱和，如图4所示。

图4 PI控制

相应程序为

3 硬件电路设计

3.1 电源模块

采用开关电源12 V作为直流电源，经过电容滤波、7805稳压后得到+5 V电压，提供给单片机、存储器24C02的供电，如图5所示。

图5 电源电路

3.2 风扇控制电路

图6为风扇控制电路，FS-和+12 V接风扇，当P23为0时，Q2截止，Q1导通，电机运转。当P23为1时，Q2导通，Q1截止，电机不运转。

图6 风扇控制电路

3.3 显示按键电路

如图7所示，系统由两组4位共阴数码管和4个按键组成，DPY1显示测得的角度，DPY2显示设定或改变的角度。4个按键分别为设定键，启动/停止键，-1键和+1键。74LS145为4线-10线译码器/驱动器，A、B、C、D连单片机P00～P03，0 ～9 分别连接两组数码管、键盘和发光二极管，其中数码管的位控制和按键是共用的。74HC164是串行并出移位寄存器，提供接数码管的段码信号。

4 软件部分

总程序流程图如图8所示，程序采用模块化设计，分成几部分的独立子程序。首先是按键判断子程序，采用矩阵式按键的扫描方式来编写程序，当有键按下时把相应的键值存储在RAM中，主程序根据键值来判断执行哪一段程序。设定数据有两种，一种是设定P值0～100%，对应帆板的角度，另外一种是设定A在0°～60°，同样，帆板的转角也会到达相应的设定值，然后进行数据显示处理，然后调整PI值进行风扇转速控制输出，如果帆板进入设定值的绝对值5°内，则红色发光二极管闪亮3次，同时蜂鸣器响3下;如果没有进入，则发光二极管不亮、蜂鸣器不响。