帆板控制系统设计

安徽商贸职业技术学院 王松林

帆板控制系统设计

安徽商贸职业技术学院 王松林

论文介绍基于STC89C52单片机的帆板角度控制系统，系统可以利用风扇控制装置对帆板角度进行控制，并通过LCD12864实时显示角度变化。还可依据设定的帆板角度信息智能控制风扇转速，在很短时间内（5秒以内）动态调整帆板摆角，同时实时显示帆板角度等信息。系统包括：单片机主控模块、角度信号采集模块、键盘输入模块、显示模块、电源模块、风扇电机驱动模块。系统主控模块采用性价比高的单片机最小系统；选用ADXL345加速度传感器完成系统角度信号采集功能；利用LCD12864实时显示角度变化的信息，5*6矩阵键盘完成风力等级和角度设定的输入；系统电源模块采用两路稳压输出电路（5v、15v），提供控制系统与风扇电机的工作电源；风扇电机采用L298N模块驱动。本系统制作成本较低、工作性能控制稳定，能很好达到设计要求。

STC89C52；加速度传感器；LCD12864；L298N

一、引言

单片机又称单片微控制器，单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度等物理量的测量。本系统就是以单片机为核心建立起来的，要实现对帆板转角大小的控制，其归根就是对风扇的控制，帆板的转角随着风扇风力的变化而变化，角度传感器给单片机不同的角度检测信号，经单片机处理后在LCD液晶上显示，同时给出声光提示。系统体现了模块化的设计理念，将单片机和各个器件结合在一起，完成系统化的设计，充分发挥了单片机的可靠性、可操作性和强大处理功能。[1-2]

二、系统方案

(一)方案论证与比较

1.主控电路

方案一：采用可编程逻辑器件FPGA作为控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，IO资源丰富，易于进行功能扩展。但本系统不需要复杂的逻辑功能，且从使用、功耗及经济的角度考虑我们放弃了此方案[3]。

方案二：STC89C52单片机采用STC89C52单片机作为主控器，其算术功能强，软件编程简洁灵活、自由度大，可用软件编程实现各种逻辑控制功能，且其功耗低、技术成熟，成本低廉。本系统主要是进行信号的处理以及风扇电机的控制。

综合考虑，本系统设计的功能依靠51单片机均可实现，故采用方案二。

2.角度传感器的选用

方案一：用UZZ9001Y与KMZ41连接构成一个角度测量系统。电路组成繁琐，制作较困难，稳定性较差。

方案二：倾角传感器。该集成芯片为专用的水平倾角测量芯片，具有体积小、灵敏度高等优点，但是输出为模拟信号，需要用到DA转换，操作间为复杂，且占用I/O口较多，不利于本统功能模块的操作。

方案三：用ADXL345数字加速度传感器。ADXL345是一款小而薄的超低功耗的3轴加速度计，可测量帆板在斜面所受重力加速度在斜面上的分量，进而转换成倾斜角，测量精度较高。ADXL345输出信号为数字信号，避免了A/D转换，操作简单；此外ADXL345只需用到两个I/O口，占用资源少，能满足本设计的要求。

本系统选择了第三种方案。

3.按键选用

方案一：采用独立键盘。多个使用时，线路连接不便，操作繁琐。

方案二：采用5*6的距阵键盘，可输入的值比较多，可设定的功能也多。

在本系统中需要多个键，系统选择了第二种方案。

4.显示

方案一：使用数码管显示。要完成功能电路的显示需要多个数码管，此方案占用I/O口多，连接不便，显示效果差，功耗大。

方案二：用LCD1602液晶显示。1602是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式，1602分为上下2行，每行显示16个字符。驱动简单，但不能显示汉字。

方案三：用LCD12864液晶显示。LCD12864功能强大，不仅能显示字母、数字、符号，还可以显示汉字和图形，最多可显示4行，每一行最多显示8个中文，16个半宽字体。(最好选用带字库的，方便编写程序。)LCD12864和LCD1602使用方法类似，驱动简单，耗电量小，无辐射危险，显示直观、抗干扰能力强，但体积较大。

表1 系统要求测试

本系统选择了第三种方案。

5.电机的驱动

方案一：用分立元件构成的H桥电路利用分立三极管元件构成的H桥电路结构简单，但驱动能力有限，所带负载不可过大。

方案二：采用L298N集成H桥芯片。在L298N集成芯处中集成了两套H桥电路，可直接驱动两路直流电机，利用单片机产生的PWM信号，可方便地进行电机调速。

方案三：用ULN2003功率放大器件。ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可达到不同的放大的要求，放大后能得到较大的功率。

本系统设计采用方案二。

6.风扇

方案一：用普通的散热风扇。风力小，风力流失大，很难达到系统要求。

方案二：用带通风通道的风扇。风力集中，流失小，能很好的吹动帆板。

本系统设计采用方案二。

7.电源

方案一：自制稳压电源。采用变压器与三端稳压器相结合，使220V电压经变压器变压，降为系统所需电压，过整流桥并利用两个大的电容滤波，从而得到较为稳定的直流电压。自制电源体积大，需接入220V电压，电压不稳定，使用不方便。

表2 按键控制风力等级测试

图2-1 总体框图

图4-1 主控电路

图4-2 风扇控制

图4-3 显示模块

图4-4 声光提示模块

图4-5 传感器模块

图4-6 风扇控制算法

图4-7 声光提示算法

图4-8 系统流程图

方案二：三块6V蓄电池串联供电。直接选用所需型号蓄电池，能量足，供电稳定，高低温适应性强。

本系统选用第二种方案。

(二)总体设计方案

系统功能的实现，以STC89C52单片机为核心，在单片机系统实现的输入输出和显示功能的基础上，由单片机的内置逻辑和运算功能，加上外围电路得以实现。根据设计任务要求，该电路的总体框图可分为几个基本的模块，总体框图如下图2-1所示。

三、理论分析与计算

(一)距离计算

帆板尺寸：长15cm，宽10cm。风扇到帆板的距离：7~15cm。本系统帆板转轴直径0.5cm。

(二)角度计算

帆板转角：0~60度。

帆板转角测量原理：风扇吹动帆板转动，产生帆板角度变化，利用ADXL345数字加速度传感器测出三维坐标x、y、z的变化，将加速度传感器固定在帆板上，从而通过固定y，利用x、z的关系求出角度。角度θ=(180*atan(temp z/temp x))/3.14。角度的测量范围是0-90°，可以满足系统要求[4]。

(三)控制算法

首先利用键盘控制风扇的转速，使帆板能够偏转一定的角度，再利用加速度传感器测出帆板的角度，送显示电路显示。具体控制算法采用C语言编程实现。

四、电路与程序设计

(一)硬件设计

1.主控电路

系统采用STC89C52单片机构成主控制电路，电路如图4-1所示。

2.风扇控制

风扇电机选用L298N模块驱动，并由4*4按键矩阵控制PWM，改变电机速度，达到控制风扇风力大小的目标。L298N驱动模块如下图4-2所示。

3.显示模块

使用LCD12864显示，如下图4-3所示。

4.声光提示模块(如图4-4)

5.传感器模块(如图4-5)

(二)软件设计

1.风扇控制算法设计

风扇控制算法如下图4-6所示。

2.声光提示算法设计

声光提示算法如下图4-7所示。

3.系统流程图

整个系统程序流程图如图4-8所示。

五、系统测试

(一)测试方法与仪器

利用四位半数字万用表、秒表、量角器等设备通电对系统进行测试。

(二)测试结果

1.功能要求测试见表1。

2.按键控制风力等级测试见表2。

(三)测试结果分析

本系统总体性能良好。但是也有不足的地方，由于帆板摆动大的问题，当系统工作时，影响到转角实际测量的精确性。这个地方有待改进。

六、设计总结

系统设计过程中，很多知识点在理论上完全理解了，但到具体的电路设计与实现中，会出现很多一时无法理解的问题，要通过不断测试修改软硬件，才能用理论来指导实践，进一步深入理解理论。

[1]郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京:电子工业出版社,2009.

[2]孙岐峰,杜锋.基于A Tmega16帆板控制系统设计与实现[J].现代电子技术,2012,35(17):189-191.

[3]王永喜,胡玫.基于单片机的帆板自动控制系统设计与实现[J].自动化与仪器仪表,2012,4:67-68.

[4]罗乐.基于STC12C60S2单片机的帆板控制系统设计[J].重庆理学院学报(自然科学版),2012,4(31):30-36.

本文系2011年安徽商贸职业技术学院院级质量工程项目“特色专业-应用电子技术专业”阶段性研究成果。

王松林（1980—），男，工学硕士，安徽无为人，安徽商贸职业技术学院讲师，研究方向：电子学，物联网技术应用。