基于AT89C52的风摆控制系统设计与实现

尚坡利，吴宁

基于AT89C52的风摆控制系统设计与实现

尚坡利1，吴宁2

（1.兰州石化职业技术学院电子电气工程系，甘肃兰州730060；2.兰州工业学院电气工程学院，甘肃兰州730050）

介绍了一种基于AT89C52单片机为控制核心的风摆控制系统，该系统通过调节直流风扇转速实现对摆杆摆角的实时测量、显示和控制。系统采用SCA100T-D02角度传感器来实现对摆杆转角信号的采集，根据转角值输出一定占空比的PWM脉冲波，用L298N作为驱动电路控制风扇电机转速，以达到控制摆杆转角的目的，同时在径向距离大于50cm时可用蜂鸣器报警。该系统经过测试实验，能耗低，性价比高，具有较高的实际应用价值。

检测技术与自动化装置；风摆；AT89C52

0　引言

2015年全国大学生电子设计竞赛本科组B题以风力摆控制系统为研究对象，要求所设计系统在规定时间内能够做出重复自由摆运动，或是可根据要求设定摆动方向，摆动时所附加激光笔能够画出直线段；或是将风力摆拉起一定角度放开，规定时间内使风力摆制动达到静止状态。本论述基于该竞赛题目提出的设计要求，给出一种简单实用、性价比高，且易于实现的设计方案。

1　总体方案设计

根据题目的要求，本系统需解决以下问题：对风扇电机的转速进行快速而准确的控制，以保证风扇的转角短时间稳定在控制范围内；为保证系统的精度要求，必须要对摆杆摆动角度进行实时检测及显示；为保证摆杆达到预定角度还需要相应的设定电路。根据以上要求，其控制模型框图见图1所示。

图1　控制系统模型框图

2　系统设计

为完成系统控制目标，对各环节模块进行如下设计。

2.1控制模块设计

根据题目要求，控制器主要用于传感器信号的接收与辨认、控制电机转动、显示实时角度等。有以下两种方案：

方案一：采用FPGA作为系统控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大、密度高、体积小、稳定性高，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。但由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作［1］。

方案二：采用AT89C52作为系统控制器［2］。单片机AT89C52是一种带8K字节内嵌可编程闪存的低功耗高性能的八位微控制器，双数据指针，具有3个16位定时/计数器，6个两级中断源结构，以及掉电模式下的自动保存功能，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，可以达到本系统的要求［3］。

基于以上分析，选择方案二。

2.2转角采集模块设计

方案一：采用MMA7455L芯片。其为XYZ三轴微机电加速度计，可测量三轴方向上工作参数，输出为8位或10位的数字量，可直接与单片机连接。硬件电路简单，但成本较高，软件程序调试较困难［4］。

方案二：采用SCA100T-D02。SCA100T-D02测量范围为-90°～+90°，具有模拟和数字两路输出。模拟量输出电压为0～5V，不需信号调理电路就可送入A/D，可采用模拟量输出，后接AD0809。此方案硬件电路简单，软件调试简单，测量数据稳定［5-6］。

基于以上分析，选择方案二。

2.3驱动及调速模块设计

方案一：采用线性放大驱动方式。单片机输出数字量，经D/A后转换为连续变化的电压值，经功率驱动后加在直流风扇电机上。此方式波动小，线性好，对邻近电路干扰小，但存在效率低和散热等问题。硬件需要D/ A转换器，电路复杂，成本高。

方案二：采用PWM调速。PWM调速是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波占空比实现对电机转速调节，PWM由单片机输出。采用L298N作为驱动芯片，其内部开关为电子开关，速度很快，稳定性也极强。此方案电路简单，使用比较方便。

基于以上分析，选择方案二。其电路原理图见图2所示：

图2　L298N电机驱动原理图

2.4显示模块设计

方案一：使用传统的数码管显示。数码管具有低功耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，操作简单等特点。数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少；但是其不适合显示字符，且电路复杂。

方案二：使用12864液晶显示屏显示。12864液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点［7］。

基于以上分析，选择方案二。

2.5风机模块设计

方案一：交流风机使用方便，常用于工业控制，但运动精度低，难以实现精确的位置控制。如用交流电机控制风板转动，将难以控制其精确位置，系统稳定性差，较难达到题目的要求。

方案二：直流电机的运动精度很高，可实现较为精确的运动，由其组成的位置控制系统定位准确，稳定时间短，一般可采用开环控制。直流电机的控制系统必须与其驱动控制器匹配使用，控制起来也十分方便。

基于以上分析，选择方案二。

根据上述分析，设计出系统硬件方案，由SCA100T-D02采集转角信息后送入ADC0809转换，输出的8位数字量送入AT89C52中，单片机经分析处理后输出一定占空比的PWM，经L298N功率驱动放大后控制电机转速，同时可用按键设定摆杆转角并显示［8］。

2.6程序流程图

根据系统控制要求，可设计主流程见图3所示：

图3　系统主流程图

3　测试结果分析

通过测试结果得出，当帆板角度从0°～60°范围变化时，当角度小于20°时，控制较易，误差较小；当角度接近60°时，控制时间明显增加，精度存在一定误差。当控制角度在30°～50°时，误差小，控制时间短，调节参数符合标准要求。本设计方案可基本满足设计要求，下一步可通过改进硬件及软件设计方案达到更高控制目标。

［1］吴厚航.深入浅出玩转FPGA［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2013.

［2］凌志浩.AT89C52单片机原理与接口技术［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［3］黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程［M］.北京：电子工业出版社，2010.

［4］谷云高，石彦君，周晓静，等.基于MMA7455的机器人姿态控制系统的研究［J］.制造业自动化，2010，32（08）：15-17.

［5］孙汝建.基于SPI接口的双轴SCA100T倾角传感器及其应用方法［J］.仪器仪表用户，2006，13（4）：69-71.

［6］王盛军，邵琼玲.基于SCA100T和MCU数字倾角传感器的设计与实现［J］.微计算机信息，2010，26（22）：90-91.

［7］张新强.点阵LCD驱动显控原理与实践［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2010.

［8］朱清.基于单片机控制的人机界面应用研究［J］.工业控制计算机，2009，22（12）：5+7.

TP273；TP368.1

A

10.3969/j.issn.1672-6375.2016.09.012

2016-7-10

尚坡利（1984-），女，汉族，河南汝州人，研究生，助教，主要研究方向：电力系统及其自动化、智能电网、智能控制。