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基于AVR單片機的帆板控制系統
中電網及《世界電子元器件》
寧秋平
摘要: 以AVR單片機為核心,采用閉環控制,角度傳感器檢測帆板的實際轉動角度,單片機定時采集,與帆板預置參數進行比較,生成調控風扇電機的PWM信號;用LCD屏顯示預置參數、帆板的轉動角度、調節用的PWM信號及調控過程完成的時間等內容。
關鍵詞: avr 帆板控制
Abstract:
Key words :

設計任務

設計并制作一個帆板控制系統,通過對風扇轉速的控制,調節風力大小,改變帆板轉角θ,如圖1所示。帆板形式及具體制作尺寸如圖2所示。

圖1 帆板控制系統示意圖

圖2 帆板制作尺寸圖

根據題目要求,設計任務要實現風扇和帆板之間的距離在一定范圍內變動時,在規定的時間內,自動調節帆板達到通過鍵盤設定的預置轉角(下文簡稱:預置參數),同時對控制過程中的相關數據進行實時處理并顯示。

設計思路:以AVR單片機為核心,采用閉環控制,角度傳感器檢測帆板的實際轉動角度,單片機定時采集,與帆板預置參數進行比較,生成調控風扇電機的PWM信號;用LCD屏顯示預置參數、帆板的轉動角度、調節用的PWM信號及調控過程完成的時間等內容。

系統硬件設計與實現

硬件概述

系統由以下幾個基本模塊組成:電源模塊、單片機控制模塊、電機驅動模塊、顯示與聲光報警模塊、鍵盤模塊和角度檢測模塊。整個系統框圖如圖3所示。

圖3 系統框圖

(1)控制模塊:采用AVR單片機控制;

(2)角度檢測模塊:采用ADXL345角度傳感器;

(3)風扇類型:采用軸流式的電吹風風扇;

(4)電機驅動方式:采用L298電機驅動芯片;

(5)顯示模塊:用LCD1602液晶模塊進行顯示;

(6)電源模塊:采用LM2576開關型降壓穩壓芯片。

角度檢測電路

角度傳感器選用三軸加速度計ADXL345。其輸出數據為16位二進制補碼格式,可通過SPI(3線或4線)或I2C數字接口訪問。對ADXL345的數據累計采樣50次,取其平均值作為結果,這種方法成功的解決了風帆擺動不穩的難題。單片機依據該值大小與預置參數運算,最后生成調節風扇電機轉速的PWM信號。

ADXL345與單片機采用I2C模式通信,電路如圖4所示。角度檢測電路由IC1、IC3、R15、R16組成。

圖4 角度檢測電路

驅動電路

電機驅動模塊L298內部包含4通道邏輯驅動電路,是一種為二相和四相電機配備的專用驅動器,內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器,接收標準TTL邏輯電平信號,可驅動雙電機。電機驅動接線電路如圖5所示。

圖5 電機驅動電路

在電路中,風扇電機接在L298的OUTl、OUT2輸出端口上,控制電機正反轉的兩個輸入引腳,7腳通過電阻R4接在電源上,9腳直接接地。控制風扇電機轉速的PWM信號,由單片機的PD5引腳輸出,通過隔離光耦IC5接在使能控制端8引腳上,L298輸出的通斷時間受控于PWM的變化,實現了單片機調節風扇電機的轉速大小,最終控制了吹動帆板轉動的風力強弱。電路中的D1~D4起續流二極管作用。

聲光報警和按鍵電路

系統中設計了聲光報警電路,見圖6所示。當帆板旋轉到預置參數時,由單片機控制其工作,并持續5秒鐘報警。它由電阻R5、R18、發光二極管D5、三極管Q1和揚聲器LS1組成。當單片機的PA5引腳輸出低電平信號時,二極管發光,蜂鳴器發出聲音,實現聲光報警。

圖6 聲光報警、鍵盤電路

系統中的按鍵功能是控制風帆電機的運動和設定帆板的轉角參數值。各鍵功能如下:

S1:起動鍵,點動后,電機起動;

S2:停止鍵,點動后,電機停止;

S3:確認鍵,首次操作,允許設定預置參數,再次操作,退出,并存儲參數(預置參數存在單片機的EEPROM中);

S4:加1鍵,點動1次,預置參數個位數值加1;

S5:加1鍵,點動1次,預置參數十位數值加1。

電源

LM2576開關型穩壓器的效率比三端線性穩壓器要高的多,有優異的線性和負載調整能力,其內部含有頻率補償器和一個固定頻率振蕩器,可將外部元件數目減到最少且使用方便。電源電路如圖7所示。

圖7 電源電路

為了解決帆板在與風機近距離且小角度轉動時,其穩定性不易精確控制的難題,我們采用可自動跳變的雙電源,即供給L298芯片的主電源VCC_K有9V和20V兩種電壓。單片機根據預置參數的大小,控制三極管Q2驅動繼電器K1,自動切換兩種電源的輸出。

顯示電路略。

系統軟件設計

PWM算法設計

由于風扇與帆板之間的距離d不固定,每次風扇電機起動時,PWM先按最大值距離時預置參數對應的PWM2值給定,當控制帆板轉到預置參數值后,PWM值按下列公式計算出。

PWM=PWM2-((PWM2-PWM1)/K)×(θ1-θ2)

θ1=帆板轉動的實際角度值;

θ2=預置參數;

PWM1最小距離時θ2對應的PWM值(由實驗獲得);

PWM2最大距離時θ2對應的PWM值(由實驗獲得);

K=d+13

PWM賦值范圍是0~255。

軟件流程設計

角度檢測單元

角度檢測單元主程序流程框圖見圖8所示,主要包括:

(1)初始化:I2C模式通信設置、定時器中斷等;

(2)采集判斷:采集完成標志位有效,傳感器的數據保留;

(3)數據運算:每次采集到實際角度的信息,線性化后轉換成可顯示的角度值;

(4)50次采集判斷:是否完成了50次角度數據采集;

(5)生成偏差量:實測帆板轉角與預置參數運算,生成待調節的偏差量。

圖8 角度檢測單元主程序流程框圖

控制單元

控制單元主程序流程,主要包括初始化、起動按鍵判斷與處理、停止按鍵判斷與處理、報警判斷與處理和設置參數判斷與處理等。

(1)初始化:主要包括引腳配置初始化、相關參數初始化等;

(2)起動按鍵判斷與處理:按鍵有效,執行電機起動子程序(主要工作:讀出EEPROM中預置參數,由PWM信號控制電機驅動器輸出,并累計控制過程的用時);

(3)停止按鍵判斷與處理:按鍵有效,執行電機停止子程序(主要工作:停止電機驅動器輸出,并清零累計控制過程的時間);

(4)報警判斷與處理:帆板轉到預置參數時,執行聲光報警子程序(主要工作:聲光報警,停止累計控制過程的用時);

(5)設置參數判斷與處理:按鍵有效,執行參數設定子程序(主要工作:實現帆板轉動的預置參數設定,并存儲保留參數值)。

測試方案與測試結果

1.測試儀器:量角器、刻度尺、示波器、溫度計、數字萬用表。

2.測試結果分析:經反復測試,要達到分辨力為1°、絕對誤差≤3°、調整時間小于3秒、距離d在5cm~18cm 范圍可變、旋轉角度在0~20°之間變化時,電機供電電壓應為9V;當風帆轉角在21°~70°之間變化時,電機供電電壓應為20V。對應的PWM數據如表1所示。

表1 PWM數據

作者信息:遼寧機電職業技術學院

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