帆板控制系统的设计与实现

郑扬冰，薛 晓

ZHENG Yang-bing1, XUE Xiao2,3

（1. 中国矿业大学，北京100083；2. 中国地质大学，武汉 430074；3. 南阳理工学院，南阳 473004）

0 引言

2011年全国大学生电子设计大赛F组题目要求设计并制作一个帆板控制系统，通过对风扇转速的控制，调节风力大小，改变帆板转角θ，如图1所示。

图1 帆板控制系统示意图

1 硬件设计方案及测量原理

结合题目要求和实施的可行性，系统硬件采用ATMEGA16为主控制器，三轴加速度传感器A7260测量角度，Nokia5110液晶显示，BTS7960驱动电机风扇转动和CPU电源直流风扇提供风力。

采用ATMEGA16通过实时检测与转换加速度模块A7260的点位变化，根据公式换算为对应帆板角度的变化并在液晶上显示。通过4×4键盘的设定来改变单片机发给风扇的PWM值以调节电机驱动模块，控制电机转速进而改变风扇风力大小，以达到改变帆板角度的目的，同时在液晶上实时显示出来。系统硬件设计方案如图2所示。

图2 系统硬件框图

1.1 传感器测量原理

如图3所示，三轴加速度传感器A7260能够检测X、Y、Z三个轴向上的电位变化ΔV，转换成对应的角度变化△θ，参考基准电压和基准角度，即可算出对应角度。传感器内部能自动进行信号调理、单极滤波以及温度补偿，具有很高的灵敏度，且功耗较低，费用低廉。

图3 加速度传感器

测试中帆板角度测量原理如图4所示。

加速度传感器A7260测量三轴向上的加速度变化，在X轴方向上的重力加速度分量Ax=gsinθ，当0g时基准电压1.65V，当改变为1g时，电压变为0.8V，改变量△＝0.8V，当帆板位于某一角度 θ时其电压值为x，故sinθ＝（1.65－x）/ 0.8，即θ＝arcsin（1.65－x）/ 0.8为所求。

1.2 风扇控制电路的设计

风扇控制电路的关键在于PWM信号的产生以及PWM信号与角度之间关系。ATmega16内部的T/C1有较强的匹配功能，其相频修正十分适合电机的控制，根据题目要求只需ICR1＝1024即10位即可满足要求。根据公式：频率f＝OCR1A/ICR1，改变PWM的占空比，即可实现改变角度的目的。

同时，为使测量结果更稳定，系统采用风道设计，减小了风扇气流的散失，使风力更集中，帆板抖动减小，保证了系统精度。

图4 帆板角度测量原理

2 软件设计方案

软件程序设计是基于A/D数据实时准确的采集，同时也要对键盘进行实时检测。由于系统需要设定角度值，所以采用了外部中断，在设定的过程中数据采集暂时中断。系统程序流程如图5所示。

图5 程序流程图

加入中断程序（一部分即可）。

3 测试方案及结果

1）测试数据完整性

根据实际帆板所处的位置，用量角器测量其所处角度，并且多次读取角度值取出现概率最大值，并记录在表格内。

当d＝10cm时，θ在0-60°范围内变化结果如表1所示。

表1 帆板测试结果（基本要求部分，单位°）

当d＝10cm时，θ稳定在45°，要求时间10s，并有声光提示，测试结果如表2所示。

表2 帆板测试结果（基本要求部分）

发挥部分1，当d＝10cm时，键盘设定角度在5s内达到，测试结果如表3所示。

表3 帆板测试结果（发挥部分）

发挥部分2，距离7-15cm改变，键盘设定角度，要求5s内达到，测试结果表4所示。

表4 帆板测试结果（发挥部分）

2）结果分析

由测试结果可看出，当用键盘调节风扇转速快慢，测量帆板升降过程中的角度变化值时，液晶实时显示的角度值和实际值有1°的误差，其中包括读数误差、系统角度采集误差以及电压波动造成的误差。当设定45°值后因为硬件部分采用风道设计，所以帆板的抖动微弱，多次测量值误差仅为1°，并且在远小于10s内即可达到稳定，同时发光二极管点亮，蜂鸣器发出提示音。

在测试发挥部分要求时，键盘设定0-60°任意角度时，系统可以实现在5s内达到设定角度的要求，同时可以看出当角度增大时，所需要的时间增加，但误差仍能控制在1°以内。距离为7-15cm任意变化时，角度的设定也是任意的，由于距离的增加，当角度变大时，所需要的时间有时会超出题目所需要的5s以内，但系统仍能把误差控制在2°以内，精度达到要求。

4 结束语

该控制系统成功的实现了大赛的基本要求和发挥部分题目的要求，获得了2011年全国大学生电子设计大赛全国一等奖的好成绩。

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