基于单片机控制的帆板系统的设计与测试

智海素，李英辉，曲昀卿

（石家庄职业技术学院 电气与电子工程系，石家庄 050081）

1 控制要求及系统方案设计

帆板与风扇的间距d 在7～15cm 范围内任意选择时，通过按键设定帆板转角θ在0～60°内可调，要求θ在5 秒内达到设定值，并通过液晶实时显示θ，且最大误差的绝对值不超过5°。

直流电机选择脉冲宽度调制（PWM）调速。PWM是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，其优点是控制方便，精度较高，常被用于直流负载回路或直流电动机调速中[1]。

宏晶科技的STC12C5A60S2是单时钟、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，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路、2路PWM、8路高速10位A/D转换，主要用于强干扰。驱动电路采用PNP达林顿功率晶体管TIP127设计驱动电路，TIP127具有耐压高，驱动能力强等优点。采用光电编码器测量角度。编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移信号转换为机器可读取的二进制码以用于通讯、传输和储存，具有读取数据方便、转速高、响应快、抗干扰强、分辨率宽、适用于精密工作环境等优点。

FYD12864显示分辨率为128×64，内置8192个16×16点阵汉字和128个ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。声光报警选择LED和语音声光报警，采用语音芯片，通过单片机串行口输出语音信息，可以实现控制系统满足特定控制要求时读出帆板转角。

2 硬件及软件系统设计

帆板装置包括滑道、直流风扇（含底座）、支架、旋转轴、编码器等部分。帆板采用热熔胶固定在旋转轴上；旋转轴利用轴承固定在支架上，旋转轴与编码器连接，实现同步旋转；12V直流风扇固定在可移动底座上；在标有刻度的滑道上可以改变风扇与支架的位置，实现距离调节。

角度测量主要通过编码器实现，双路输出的旋转编码器A、B两相输出两组相位差90°的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。由于A、B两相相差90°，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。

本系统采用PWM来调节直流电机的速度，在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源,并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。在脉冲作用下，当电机通电时速度增加；电机断电时速度逐渐减少。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。

控制电路包括单片机最小系统、按键模块、液晶显示模块、声光报警模块、电机驱动模块等部分。

图1 单片机最小控制系统

单片机最小控制系统以STC12C5A60S2核心，复位电路具有手动和上电复位两种形式、时钟电路采用12MHz晶振，EA引脚接5V电源，由此可知存储器选择内部寄存器，单片机最小控制系统如图1所示[2]。

图2 串行液晶显示模块

图3 按键操作模块

液晶显示模块采用12864液晶，由单片机进行串行控制，实时显示帆板转角、帆板与风扇间距、功能选择菜单等信息，串行液晶显示模块电路如图2所示。

按键模块有6个按键组成，分别由单片机的P0口控制，其功能分别是启动、确定、增加、减小，调试时根据控制要求进行按键操作，按键模块电路如图3所示。

电机驱动模块采用光电耦合器进行光电隔离，功率管TIP127进行功率放大，以驱动12V直流风扇电机，电机驱动模块电路图如图4所示。

图4 电机驱动模块电路图

声光报警模块由LED进行光电报警，单片机通过串口向语音芯片SYN6288传送数据，经数据处理控制扬声器进行开机和自动模式时进行语音提示，声光报警模块电路如图5所示。

系统上电后，首先进行初始化操作，液晶显示默认间距和角度，然后根据控制要求设定间距d和角度θ。风扇与帆板间距d在7～15cm范围内设定，帆板转角θ在0～60°范围内设定。首先调整间距为设定值，然后通过按键分别设定间距和转角，设定完成后电机驱动风扇控制帆板转角达到设定值，同时编码器检测帆板转角，并通过液晶实时显示转角和间距。

图5 声光报警模块电路图

3 系统测试

测试条件：间距d＝7～15cm，θ＝0～60°；

测试设备：量角器、开关电源、示波器、万用表、秒表、直尺；

测试过程：系统上电后，将帆板位置和液晶显示归零，通过按键分别输入帆板与风扇间距及帆板转角设定值，记录帆板实际转角及所用时间，帆板控制系统测试表如表1所示。

4 结论

测试结果表明设计的帆板控制系统满足了基本控制要求和发挥设计要求，精度较高，可靠性较好，但仍存在较小误差，综合分析可知产生误差的因素主要有以下三方面：1）编码器与横轴连接不完全水平，造成横轴与编码器偏转不同步，另外编码器在工作过程中会丢失脉冲，造成测量角度不够精确；2）电源需要给直流风扇、单片机、编码器、喇叭、液晶等器件供电，存在电磁干扰，影响电源稳定性，从而影响测试精度；3）由于电机转速是非线性的，在PWM调制时将其小范围进行线性化处理，由此产生误差。

表1 帆板控制系统测试表

[1]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[C](2005).北京: 北京理工大学出版社,2007.

[2]陈桂友.增强型8051单片机实用开发技术[M].北京: 北京航空航天大学出版社,2009.