《硅谷》杂志：探秘如何设计帆板控制系统 |
| 2013-08-13 10:31 作者：苑毅 黄珍 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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介绍一种帆板控制系统的设计，该本系统以AT89S52单片机芯片为核心，辅以必要的外围电路（包括A/D转换、数字显示、键盘控制和电机驱动等），实现对帆板系统的角度控制要求。该系统主要由最小单片机系统、LMD18200电机驱动模块、帆板、A/D以及LED组成。经测试，系统实现对帆板角度的测量及其显示、帆板角度的控制调整等功能。
0引言
角度自动调整控制系统在航空航天、航海、汽车驾驶等现实生活领域中都有重要应用，因此有着非常重要的研究价值和广泛的应用价值。把单片机与角度传感器有效结合起来，就可实现一般领域的角度自动调整控制。文中详细介绍了基于单片机控制的角度自动调整系统设计方法，该系统针对帆板角度进行控制，可根据需要自动调整帆板偏转角度大小。
1系统工作原理
帆板控制系统系统由单片机、显示、按键、AD、风扇驱动等组成，通过AD采集的信号实时显示帆板转角，通过风扇风速的大小控制转角的大小。
图1系统结构图
各模块系统电路的方案选择：
1.1风扇控制电路
风扇选用台式计算机散热风扇，故选用步进电机驱动芯片LMD18200控制风扇的转速以实现对帆板角度的控制与调整。当需要帆板倾角增大时，只需通过键盘控制风扇的转速提高，以增大风力，从而改变帆板的倾斜角度，反之同理。
1.2角度测量电路
采用线性电位器将帆板的角度变化转化为电压的变化，从而间接测量帆板的倾角角度。帆板转轴中连接一5K的电位器，帆板转动时将角度的变化转化为电压变化，通过单片机控制AD对其进行采集，从而完成测量。
1.3显示电路
用数码管进行显示。数码管由于显示速度快，使用简单。考虑到本系统显示信息简单，不必显示过多信息，从成本角度考虑，我们选用3位LED显示。
1.4控制系统电路
用单片机作为步进电机驱动芯片LMD18200的控制单元。单片机完成控制算法，再将计算结果转换为PWM信号输出到LMD18200以实现对风扇的控制。由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变换完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠．
从而帆板控制系统总体方案确定如下：由单片机AT89S52、步进电机驱动芯片LMD18200、LED显示器、键盘、线性电位器、台式计算机散热风扇、直流电源等模块组成。利用单片机产生PWM信号调整步进电机驱动芯片LMD18200驱动风扇，风扇吹动帆板产生摆角，帆板转轴中连接5k电位器。帆板转动时电位器会将摆动角度的变化转化为电压变化，电压的变化量反馈给控制板的AD采样芯片ADC0809。利用AD的数据，转化为角度信息同时完成数码显示，同时AD的采样数据做为参考量来控制PWM脉冲的宽度从而调整帆板摆角大小。
2理论分析与计算
2.1风扇控制电路
在整个系统控制过程中，设计控制范围为0~60°，并且以2°为区间范围，这样，在这个控制过程中需要30个控制点。利用单片机对应30个控制点产生不同的PWM信号调整步进电机驱动芯片LMD18200驱动风扇，风扇转速由弱至强即可产生0~60°的转角变化。
2.2角度测量原理
帆板转轴中连接一5K的电位器，帆板转动时将角度的变化转化为电压变化。由于采用5k电位器上的电压信号作为采样信号，电位器外接5V电压，而ADC0809为8位转换器，单位电压信号变化量为⊿V=5V/256。系统要求角度范围是0~60°，故定义显示范围是0~64°，取每4个单位电压信号的变化量等价于1°的角度变化。
2.3控制算法
单片机内部定时器产生1ms定时，作为PWM信号单位周期时间。通过对ADC0809转换得到的256个数字量处理，每4位数据作为一个控制单位。共产生256/4=64个控制量，作为PWM信号的周期因数，调整步进电机驱动芯片LMD18200驱动风扇，产生不同的风速变化。
3电路与程序设计
3.1风扇控制电路
如图2所示为风扇控制电路，LMD18200输出控制风扇转速快慢。
图2风扇控制电路
3.2控制算法设计与实现
系统加电后，自动开始角度检测并显示。当帆板角度发生改变时，可实时显示当前角度数值。按下对应按键便可控制风扇转速，以达到控制帆板角度的功能。为便于修改程序、测试参数，程序均用C语言编写，控制风扇PWM信号周期依据中断控制，当按键控制信号读入后，根据控制要求设定计数初值，产生步进电机驱动芯片LMD18200的输入信号，以此来控制风扇转速。图3为主程序流程图：
图3主程序流程图
3.3总体电路图
总体电路图由单片机AT89S52、步进电机驱动芯片LMD18200、LED显示器、键盘、线性电位器、台式计算机散热风扇、直流电源等模块组成。利用单片机产生PWM信号调整步进电机驱动芯片LMD18200驱动风扇，风扇吹动帆板产生摆角，帆板转轴中连接5k电位器。帆板转动时电位器会将摆动角度的变化转化为电压变化，电压的变化量反馈给控制板的AD采样芯片ADC0809。利用AD的数据，转化为角度信息同时完成数码显示，同时AD的采样数据做为参考量通过键盘按键来控制PWM脉冲的宽度从而调整帆板摆角大小。总体电路图如图4所示。
图4总体电路图
4结束语
设计采用单片机最小系统为控制核心，实现了一个简易的帆板控制系统。本系统以AT89S52单片机芯片为核心，辅以必要的外围电路（包括A/D转换、数字显示、键盘控制和电机驱动等），实现了对帆板系统的角度控制要求。本设计将单片机技术与角度测量技术相结合，在满足实时、准确传输数据的同时，无需现场布线，配置灵活。 |
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