1、帆板控制系統(tǒng)設(shè)計（F題） 摘要：本系統(tǒng)以單片機(jī)STC12C5A48S2為控制核心及數(shù)據(jù)處理核心,采用加速度傳感器MMA7260作為角度檢測的核心器件,設(shè)計并制作了一個帆板控制系統(tǒng)。以L293構(gòu)成電機(jī)的電路，通過對風(fēng)扇轉(zhuǎn)角的控制，調(diào)節(jié)風(fēng)力的大小，改變帆板的轉(zhuǎn)角。可以通過鍵盤設(shè)置帆板轉(zhuǎn)角060o，并在LCD上實時顯示。使用了PID算法，使系統(tǒng)能快速達(dá)到穩(wěn)定。由于采用了低功耗單片機(jī)，并且使用了一些高性價比、低功耗的器件去設(shè)計電路，因此本放大器具有成本低，功耗小，性價比高的優(yōu)點。關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；角速度傳感器；單片機(jī)；PID； 一、方案比較與選擇題目分析：綜合分析題目要求，轉(zhuǎn)動帆板時，實現(xiàn)實時顯示角度

2、，且能夠通過鍵盤控制風(fēng)力，是本題的最大難點，也是設(shè)計的重點之一。另一難點是使帆板轉(zhuǎn)角達(dá)到60o。要得到更好的性能指標(biāo)，放大電路的零點漂移也是一個很難解決的問題。此外，在整個電路的設(shè)計中，要考慮其成本。1、數(shù)據(jù)處理和控制核心選擇方案一：采用DSP最小系統(tǒng)板。即由DSP來實現(xiàn)電機(jī)的控制、傳感器信號采集和人機(jī)界面控制等功能。方案二：采用單片機(jī)STC12C5A48S2最小系統(tǒng)板。即由單片機(jī)STC12C5A48S2實現(xiàn)整個系統(tǒng)的統(tǒng)一控制和數(shù)據(jù)處理。本系統(tǒng)不涉及大量的數(shù)據(jù)存儲和復(fù)雜處理，雖然方案一控制更靈活更方便，但DSP的資源得不到充分利用，且系統(tǒng)規(guī)模大，成本高。而單片機(jī)STC12C5A48S2是一種8

3、位低功耗微、高性能處理器，具有豐富的片上外設(shè)和較強(qiáng)的運算能力，且可串口編程，使用十分方便，性價比高。綜上所述，故采用方案二。2、角度傳感器的比較與選擇方案一：角度傳感器KMZ41與信號調(diào)理芯片UZZ9001組成的角度采集模塊。KMZ41與信號調(diào)理芯片UZZ9001一起,能夠?qū)?80°范圍內(nèi)的角度信號進(jìn)行測量,并利用SP I方式提供11位的角度信號輸出。調(diào)試繁瑣，且電路穩(wěn)定性差。方案二：采用MMA7260三軸加速度傳感器。這個三軸加速度計用的是Freescale（飛思卡爾）公司生產(chǎn)性價比高微型電容式加速度傳感器MMA7260芯片。用三軸加速度計利用重力分量換算原理，來測量角度與其他數(shù)字

4、量傾角傳感器相比自然要精準(zhǔn)許多，因為模擬量的，可將電壓值換算對應(yīng)傾斜角度值，所以在許多需要測量角度的場合，非運動的條件下，不妨可以試試使用加速度計。綜上所述，采用方案二，電路集成度高、控制方便、易于用單片機(jī)處理。3、顯示系統(tǒng)的比較與選擇 方案一：用數(shù)碼管進(jìn)行顯示。數(shù)碼管由于顯示速度快，使用簡單，顯示效果簡潔明了而得到了廣泛應(yīng)用。但是由于本題中要同時顯示兩個方向的傾斜角度，用數(shù)碼管無法顯示如此豐富的內(nèi)容。方案二：用LCD液晶進(jìn)行顯示，由于其顯示清晰，內(nèi)容豐富、清晰，信息量大，使用方便。綜上所述，本系統(tǒng)要顯示的內(nèi)容較豐富，采用方案二。二、總體方案設(shè)計及系統(tǒng)方框圖本設(shè)計由角度傳感器，經(jīng)單片機(jī)控制器采

5、集角度信息，再由單片機(jī)控制信號到驅(qū)動板，以調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，從而控制帆板的角度。根據(jù)設(shè)計要求，此系統(tǒng)難點在于角度傳感器的選取，及對于流體力學(xué)控制。因此，為能夠檢測到角度，本系統(tǒng)采用加速度傳感器，利用重力分量，從而得到帆板的角度。對于自動調(diào)節(jié)帆板的角度，是由風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速決定，而風(fēng)扇是直流電機(jī)，對于直流電機(jī)的調(diào)速，本設(shè)計的驅(qū)動方式采用雙H橋并聯(lián)，控制信號上采用了PWM的調(diào)節(jié)方式，并可以調(diào)節(jié)電機(jī)運行在四象限。由于系統(tǒng)設(shè)計各數(shù)據(jù)的難以測量，如風(fēng)葉片與風(fēng)流大小，風(fēng)向的擴(kuò)散性等因數(shù)。為了能夠在自動穩(wěn)定在設(shè)定的角度內(nèi)，本設(shè)計采用PID的算法，通過試驗方法，可以從采樣頻率，及調(diào)節(jié)PID三個參數(shù)中，方便找到合適的值

6、，以快速控制帆板到達(dá)設(shè)定的值。圖2-1 系統(tǒng)總體框圖三、理論分析與計算帆板系統(tǒng)控制算法采用了PID算法，包括3個部分：測量、比較和執(zhí)行，即把測量得到的量與期望值相比較，然后用合格誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。PID控制算法是建立在經(jīng)典控制理論上的一種控制策略。PID控制算法能夠在保證基本不影響系統(tǒng)穩(wěn)定精度的前提下提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并很好的改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。PID控制器原理框圖如圖3所示。圖3-1 PID控制器原理框圖系統(tǒng)主要由PID 控制器和被控對象組成。它根據(jù)給定值與實際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。PID的圖形表達(dá)式：上式中為積分時

7、間常數(shù)，為微分時間常數(shù)，為比例系數(shù)，為誤差項，為控制量。 若令采樣時間為，離散控制算法為：上式中是采樣周期，必須足夠小，以保證系統(tǒng)有一定的精度，為調(diào)節(jié)器的積分時間，為調(diào)節(jié)器微分時間，為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，為第次采樣時的偏差值，為控制量。采用增量式PID進(jìn)行控制，由，可得到如下式子：上式中為第次與中心位置的偏差程度，、分別為、次誤差項，以此算法為基礎(chǔ)，很容易用C語言編寫出控制算法程序。四、主要硬件電路設(shè)計1、風(fēng)扇控制電路L293的驅(qū)動方式比較簡單，詳細(xì)可見L293的說明書，這樣簡略說明，L293有兩個電壓輸入，一個給電機(jī)的電壓，一個是給芯片工作與控制邏輯的參考電壓。L293相當(dāng)于有四個驅(qū)動門，每個

8、IN1，對應(yīng)該一個OUT1，當(dāng)IN1為高電平是，OUT1輸出高電平，電壓為VSS，也就是給這個芯片電機(jī)的供電電壓。對于設(shè)計中采用的直流電機(jī)，因此調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，采用了L293驅(qū)動芯片。由于一片L293內(nèi)部有兩路H橋，為了增大驅(qū)動能力，本設(shè)計中，把L293的兩路H橋并聯(lián)，即輸入信號成輸出引腳直接并聯(lián)。因為本設(shè)計中控制方面，采用PWM信號控制，而電機(jī)運行在四象限，即正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，停車，自由滑行。所以在PWM關(guān)斷時刻，要為電機(jī)有一個續(xù)流通道，所以在H橋上均設(shè)計到續(xù)流二極管。同時為了可以方便測試，本設(shè)計中，為電機(jī)的兩端輸出接上指示的LED。L293驅(qū)動電路如圖所示。 圖4-1 L293驅(qū)動電路2、角

9、度測量電路下圖是MMA7260三軸加速度計的結(jié)構(gòu)圖。圖4-2 MMA7260三軸加速度計的結(jié)構(gòu)圖G1和G2兩位數(shù)字量輸入4種組合代表4中量程。G1    G2    量程選擇    靈敏度選擇0     0       1.5g       800mV/g0  

10、0;  1        2g        600mV/g1     0        4g        300mV/g0     1  

11、;      6g        200mV/g通過實驗，可以輸出測得的模擬值，然后通過將模擬值轉(zhuǎn)換成電壓值再參考MMA7260芯片手冊就可以得知物體的姿態(tài)或者角度了。將X、Y、Z三接口分別接到單片機(jī)的模擬0、1、2接口，EN使能和3.3V短接。3、控制電路本設(shè)計采用的單片機(jī)為STC公司型號為：STC12C5A48S2的單片機(jī)，其中35個IO口分配為：P0與P4.4-P4.6為1602液晶顯示的接口，P2接4*4的矩陣鍵盤，P3.4-P3.6控制電機(jī)方向與

12、轉(zhuǎn)速，P3.6接一只LED，P3.7接一蜂鳴器。P1.0接角度傳感器的電壓模擬量，P0.2接一電位器，控制板的原理圖如圖所示圖4-3 控制板原理圖五、程序設(shè)計本系統(tǒng)設(shè)計可分為四種模式：1，風(fēng)扇不轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)帆板，可以顯示角度；2，控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)風(fēng)扇量，實時顯示角度；3，輸入一個設(shè)定的角度；4，根據(jù)設(shè)定角度，由系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)風(fēng)扇，把帆板吹動到設(shè)定角度，并保持平衡。因此，為系統(tǒng)設(shè)計的4*4矩陣鍵盤，4種模式，分別由鍵盤上的“A”，“B”，“C”，“D”。設(shè)計程序入口。圖5-1 主程序流程圖六、測試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析1、測試儀器及型號數(shù)字示波器 Tektronix TDS 1002；直流穩(wěn)壓電源CALTE

13、K-CA17303D； 三位半萬用表UT33D； 量角器； 秒表2、測試方案安裝好硬件，接通電源，風(fēng)扇開始以小轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，此時，帆板角度幾乎不變化，然后，按下加速鍵，調(diào)整帆板的角度，帆板實際轉(zhuǎn)角與液晶顯示的角度進(jìn)行比較，得出實驗數(shù)值。3、測試結(jié)果基本要求測試當(dāng)風(fēng)扇頁面與帆板的距離d=10cm 時,通過鍵盤控制風(fēng)力大小，使帆板轉(zhuǎn)角在0范圍內(nèi)變化，實際值、測量值和偏差如下表：表1 d=10cm 時測試序號實際值（度）測量值（度）偏差（度）100025503109-141515052017-362526+173030083534-1940400104544-11150500125554-1136061

14、+1發(fā)揮部分測試當(dāng)間距d在715cm范圍內(nèi)任意選擇，通過鍵盤設(shè)定帆板轉(zhuǎn)角，范圍在0變化，測試結(jié)果如下表:d=7cm時的測試結(jié)果表1 d=7cm 時測試序號實際值（度）測量值（度）偏差（度）1000255031010041514-152019-162525073031+183534-1940400104544-1115052+21255550136059-1d=11cm時的測試結(jié)果表1 d=11cm 時測試序號實際值（度）測量值（度）偏差（度）1000254-131010041514-152020062523-273030083536+194039-110454501150500125554-1

15、136061+1d=15cm時的測試結(jié)果表1 d=15cm 時測試序號實際值（度）測量值（度）偏差（度）100025503109-141514-152021+162528+373030083534-1940400104547+2115051+1125554-1136059-13、測試結(jié)果分析 從測試數(shù)據(jù)結(jié)果來看，所有測試結(jié)果精度都較高，誤差極小。在d=15cm時，誤差只有。本系統(tǒng)能夠達(dá)到這樣的高精度，首先是由于本系統(tǒng)PID自動調(diào)節(jié)功能功能，在很大程度上減小了誤差。七、總結(jié)本帆板控制系統(tǒng)完成了題目中所有的基本要求和發(fā)揮部分的要求，本設(shè)計的亮點是在設(shè)計中運用到了PID調(diào)控方法，此方法在系統(tǒng)中能很好

16、的消除系統(tǒng)性的誤差，使得精確度更高。同時本設(shè)計的另一個亮點是在控制風(fēng)力方面，運用鍵盤控制的同時輔助以電位器控制，這樣在調(diào)節(jié)范圍方面更加精確。整個系統(tǒng)的設(shè)計成本較低，性價比高。八、參考文獻(xiàn)1 曹宇;翁惠輝;陳永軍;馮定;. 基于dsPIC30F4013控制器旋轉(zhuǎn)角度檢測系統(tǒng)的研究 J. 長江大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2011.01 2 余夢迪，董明亮，馬彥文，孫立. IAM1智能測角儀的研制 J. 礦冶工程, 1994.03 3 鄧宏貴;吳讓亮;施佳佳;. 數(shù)字角度傳感器在建筑角度測量儀中的應(yīng)用 J. 傳感技術(shù)學(xué)報, 2010.08 4 王啟東，陳純坤. 激光動態(tài)角度測量系統(tǒng)研究 J. 光子學(xué)報

17、, 1995.01 5 夏曉晶. 單片機(jī)實現(xiàn)的仿人智能PID控制器D大連海事大學(xué), 2004 . 6 李名慧. 智能PID控制器的設(shè)計與應(yīng)用D天津大學(xué), 2006 . 7 紀(jì)佳彤. PID自整定控制儀的研制與開發(fā)D大連理工大學(xué), 2008 . 附錄1、系統(tǒng)電路圖2、主程序include<STC12C5A.h>#include"1602.h"#include"AD_UART.h"#include<math.h>#include <string.h>#include <stdio.h>#include"

18、;keyboard.h"#include<math.h>double SetPoint; / 設(shè)定目標(biāo) Desired Valuedouble Proportion; / 比例常數(shù) Proportional Constdouble Integral; / 積分常數(shù) Integral Constdouble Derivative; / 微分常數(shù) Derivative Constdouble LastError; / Error-1double PrevError; / Error-2double SumError; / Sums of Errorsint pre_speed

19、=0;int pre_angle=0;float M_pid=0;sbit EN1=P33; /與驅(qū)動板的接線,對應(yīng)L293驅(qū)動板上的6個信號sbit IN1=P34;sbit IN2=P35;sbit LED=P36;sbit beed=P37; /定義了蜂鳴器與單片機(jī)的連接sbit GS1=P13;sbit GS2=P14;sbit SLEEP=P15;int speed_R=0; /定義電機(jī)的速度，有正負(fù)之分，為正是，正轉(zhuǎn)。（范圍100100）int speed=0;unsigned int get_speed_v=0;unsigned int set_angle=0;unsigned

20、int set_angle_buff2=0;unsigned int now_angle=0;unsigned int cnt_s=0;/用于計數(shù)PWM的點空比0100；unsigned int cnt=0;/0.1ms unsigned int cnt_set=0; /設(shè)定計數(shù)，用于采用電位器的電壓。unsigned int cnt_time; /用于軟件延時int angle_err=0;int get_ang=0;int set_ang=0;unsigned char flag_auto=0;unsigned int x_value=0;unsigned int y_value=0;un

21、signed int z_value=0;unsigned int value=0;unsigned int angle3=0;unsigned char key;unsigned char pattern=0; /用于控制程序執(zhí)行不同的功能，通過鍵盤切換unsigned char flag_pid=0;/*delay*/void delay2(unsigned int t)unsigned int j,k;for(t;t>0;t-)for(j=50;j>0;j-)for(k=100;k>0;k-);/*1602顯示*/void display_1602()unsigned

22、char w4,i;unsigned long temp;temp=x_value;w0=temp/10%10;w1=temp%10;for(i=0;i<2;i+)print2(3+i,wi);temp=y_value;w0=temp/10%10;w1=temp%10;for(i=0;i<2;i+)print2(13+i,wi);temp=z_value;w0=temp/100%10;w1=temp/10%10;w2=temp%10;for(i=0;i<3;i+)print2(0x44+i,wi); /*init To*/void init_T0(void)TMOD|=0x0

23、1;/定時器工作在模式1TH0=0xff;/定時初值TH00xff TL0=0x49 定時100uSTL0=0x49;TR0=1;ET0=1;void init_port(void)P4SW=0xff;GS1=0;GS2=0;SLEEP=1;EN1=0;/*motor control*/void motor( int m_R)if(m_R>0)IN1=0;IN2=1;speed_R=m_R;else if(m_R<0)IN1=1;IN2=0;m_R=-m_R;speed_R=m_R;elseIN1=0;IN2=0;void sample_ang(unsigned int ch)un

24、signed int i;unsigned char ang_value10=0;unsigned long all_value=0;for(i=0;i<10;i+)ang_valuei=GetADCResult(ch);all_value+=ang_valuei;anglech=all_value/10;all_value=0; /*TO interrupt*/void timer0(void) interrupt 1TH0=0xff;TL0=0x49;cnt+;cnt_s+;/PWM占空比計數(shù)0100cnt_set+;if(cnt_s>=speed_R)EN1=0;if(cnt

25、_s>=100)EN1=1;cnt_s=0;if(cnt>=2000 ) /50ms 采樣角度sample_ang(0);get_ang=abs(angle0-40)*1.8;if(abs(get_ang-pre_angle)>10)get_ang=(get_ang+pre_angle)/2;elseget_ang=pre_angle;pre_angle=get_ang;x_value=get_ang;display_1602();cnt=0;flag_auto=1;cnt_time+;/* PID */double PIDCalc( double NextPoint ) d

26、ouble dError, Error; Error = set_angle - NextPoint; / 偏差 SumError += Error; / 積分 dError = LastError - PrevError; / 當(dāng)前微分 PrevError = LastError; LastError = Error; return (Proportion * Error / 比例項 + Integral * SumError / 積分項 + Derivative * dError / 微分項 );/* main */void main(void)int test=0;unsigned in

27、t num=0; Proportion = 2.25; / Set PID Coefficients Integral = 0.11; Derivative = 0.0;CLK_DIV=0x01;/系統(tǒng)分頻工作，速度太快，1602控制不了。init_T0();/初始化定時器。 InitADC(); /Init ADC sfrinit_port();LCM2402_Init();print(0x00,"A");print(0x01,":");print(0x05,1);print(0x08,"Set:");print(0x0f,1);p

28、rint(0x40,"Fan:"); /在第2行第1位處從左向右打印字符串print(0x4e,"F1");EA=1;while(1)key=scan_key();if(key!=0xff)if(key = 0xF1)pattern=0;print(0x4e,"F1");if(key = 0xF2)pattern=1;print(0x4e,"F2");if(key = 0xF3)pattern=2;print(0x4e,"F3");switch(pattern)case 0: /風(fēng)扇不轉(zhuǎn)，改變角度，顯示motor(0);y_value=0;z_value=0;break;case 1: /控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速y_value=0; i