帆板控制系统
作者：何波王和创吴海
作者单位：广东科学技术职业学院邮编：519090
摘要：本系统采用AT89C51单片机作为核心控制器，由主控制模块、角度测量模块、键盘输入模块、LCD显示模块、电源模块、提示音模块、A/D转换模块、电机驱动电路等八部分构成。
由单片机实时读取N1000060C角度传感器测量的帆板转角θ值，通过与设定值相比较，改变PWM输出信号，精密调节风扇电机的转速，改变风力大小，达到调整帆板转角的要求。
经验证，本系统性能稳定、可靠、精度高。
关键词：ATmega64单片机，角度传感器，液晶显示屏1602，PWM脉冲
Abstract: tthis system adopts the AT89C51 single-chip microcomputer as the core controller, by the main control module, the Angle measurement module, keyboard input module, LCD display module, power module, voice module, A/D conversion module, motor drive circuit and so on eight parts. N1000060C Angle sensor reading by the single chip microcomputer real time measurement of the panels rotation theta values, by comparing with the set point, change the PWM output signal, precise adjustment of the fan motor speed, change the size of wind, to suit the requirements of adjusting the panels around the corner. Verified, the system performance is stable, reliable, high precision.
Key words: ATmega64 microcontroller, Angle sensors, liquid crystal display 1602, PWM pulse
一、方案比较与论证
1、剖析赛题
本赛题要求设计一个帆板控制系统，依赛题的要求，该系统应具有主控制模块、角度测量模块、串口模块、键盘输入模块、LCD显示模块、电源模块，电机驱动电路等。
系统整体模块图
2.各模块实现方案比较与选择
1）主控制器模块
方案一：采用FPGA作为系统的控制器。
FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统控制核心。
但由于本设计对数据处理的速度要求不高，同时由于芯片的引脚较多，电路板布线复杂，加大了电路设计和实际焊接的工作量。
方案二：采用AT89C51系列的单片机作为主控制器
51系列芯片目前使用范围最广，价格便宜，但速度较慢，数据量大时速度难以满足要求。
而且其功能单一，需要仿真器来实现软硬件调试，较为烦琐。
方案三：采用STC12C5A60S2位控制芯片
ATmega64单片机是基于增强的AVR RISC结构的8位CMOS微控制器。
是高速、高性能、低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快12倍，而且体积小、性能高，适合用于高速测量。
综合以上三种方案，选择方案三。
2）角度测量模块
方案一：采用光电二极管电路，接收光信号的多少和帆板偏转的角度成正比，并将光信号转换为电压信号，来反映角度的变化。
探测角度满足本题目的要求，且SPI数字输出无需外加A/D转换电路，软件调试简单。
方案二：采用KMZ41磁阻式角度传感器测量帆板的角度，然后通过无线发射系统把测得的角度发送给控制系统，但需外加侧场合信号调理芯片构成的电压输出式角度传感器UZ9000/UZ9001才能输出数字信号。
探测角度大，增强了帆板的稳定性，但附加电路复杂，误码率不为零，无法确保系统的稳定。
方案三：倾角传感器N1000060是一款单轴角度传感器，传感器在测量时需要与测量平台保持平衡，并且传感器的两个轴要相互平衡。
测量范围：-90°到+90°单极+5V 供电，比例输出。
探测角度满足本题目的要求，且SPI数字输出无需外加A/D转换电路，软件调试简单。
该芯片性能稳定，测量精度高，外围元件少，使用方便，符合要求。
综上方案论证，采用方案三。
3）驱动模块
方案一：三极管电流放大驱动电路，采用大功率晶体管组合电路构成驱动电路，这种方法结构简单，成本低、易实现，但由于在驱动电路中采用了大量的晶体管相互连接，使得电路复杂、抗干扰能力差、可靠性下降。
方案二：电机专用驱动模块（如L298），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，电路硬件简单，性能可靠，但成本较高。
方案三：达林顿驱动器（ULN2803），是一个集成芯片，单块芯片可同时驱动8个电机，每个电机由单片机的一个I/O口控制，单需要调节直流电机转速时，使单片机的相应I/O口输出不同占空比的PWM波形即可，电路简单。
综上方案论证，采用方案三。
4）显示模块
方案一：采用数码管显示。
数码管由于显示速度快，使用简单，亮度也比较高，显示效果简洁明了而得到了广泛应用。
但是最大的缺点是稳定性差，在调试时比较耗时显示内容少，需要加三极管驱动占用单片机资源比较多。
方案二：采用液晶1602显示。
采用1602液晶显示器显示。
由于1602液晶显示器显示清晰，显示的内容多，显示信息量大，使用起来简单方便，因此得到了广泛的应用。
方案选定：两种方案比较，决定选用方案二，由于要求有倾斜角度的显示，而数码管无法显示倾斜角度，液晶显示屏具有显示字符优美，不但能显示数字还能显示字符甚至图形的优点，人机界面友好，这是数码管无法比拟的。
所以不能采取七段数码管显示的方案。
5）提示音模块
方案一：采用蜂鸣器提示。
蜂鸣器价格便宜，电路简单，编程容易，购买方便。
方案二：采用语音芯片来实现语音提示。
综合考虑本设计采用方案一。
6）A/D转换模块
方案一：采用ADC0809芯片进行模数转换，其中ADC0804是带有8位A/D转换器、8路多开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。
方案二：TLC0820芯片进行模数转换，其中TLC0820采用8位并行输出，不需要任何外部振荡元件和时钟信号，转换速率快，最大转换一次时间仅需2.5us。
方案三：利用单片机自身自带的10位AD转换器实现，转换精度高，可以对转角传感器输出的信号进行实时转换处理，并且外电路简洁可靠。
综合以上三种方案，采用方案三。
二. 理论分析与计算
1、在本设计每个功能需要测试帆板转角，系统采用N1000060角度传感器检测帆板的状态，进而调整帆板的转角。
角度传感器水平安装在帆板固定轴上端，当帆板为垂直状态时，即当传感器角度为0度时输出电压为 2.5V，随着帆板转角变换，传感器输出一个电压信号，通过线性关系计算出其对应的角度值。
角度传感器实时采集帆板的转角（设为θ），且输出值为模拟电压量，输出量与夹角之间成线性关系，即：
U=K*θ(K为比例系数)
示。
传感器模块输出与输入关系曲线
从测量电压与角度的关系曲线可以看出，两者之间不是纯粹的线性关系。
这就需要采用比拟和计算方法，在容许的误差范围内，通过建立函数关系，将两者之间转变为线性关系，利用处理器对其进行实际的测算，即进行软件矫正。
2、角度传感器N1000060安装方式：
本设计选用第三种安装方式：-1g position
根据芯片的加速度与电压输出关系（0g：Vout=0.5Vdd，+1g：Vout=Vdd，-1g：Vout=0V）可得芯片转动弧度与电压的关系可得弧度a=asin（0.5Vout-0.25Vdd）；
通过角度与弧度的转换公式可得θ=a*180/3.14
由于通过LCD1602显示角度传感器N1000060输出的是模拟量，通过ADC0804转换为数字量，ADC的八位输出决定转换的最大数字值是255.由于N1000060与ADC0804，都是采用5V 电源供电。
N1000060角度传感器最大输出电压时5V，将5V电压分成255份可得每份代表19.5mv。
根据模拟转数字B关系可得弧度
a=（0.5B*19.5/1000-0.25Vdd）
3、PWM 控制基本原理
在PWM调速中，通过改变脉冲处于高电平的时间长短来改变电机的转速。
改变处于高电平的时间也就是改变脉冲的占空比。
占空比越高，电机被高电平触发的时间越长，电机的转速就越快。
PWM的脉冲周期为T，高电平时间为Rpwm，低电平时间为t0，则T=Rpwm+t0，在保证T 不变的情况下改变Rpwm，即可改变电机的速度。
三．系统硬件设计
1．系统的总体设计
总体设计框架图
2．模块电路设计
1）控制模块
本设计中采用Atmega64单片机，它是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。
由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega64 的数据吞吐率高达 1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
内部包括64K 字节的系统内可编程Flash 、两路8 位PWM、6路分辨率可编程（2 到16 位）的PWM、输出比较调制器、8路10 位ADC、上电复位以及可编程的掉电检测、片内经过标定的RC 振荡器、片内/ 片外中断源等。
主控制模块
2）角度测量模块
角度传感器采用的是SC60C，如下图所示。
它是单轴倾角传感器，测量范围1g（±90°）单极5V供电，为比例电压输出，模拟0.5V~4.5V输出。
主要应用为双轴平台调平，倾斜角度测量和加速度或者位置测量。
它的优点是工作温度范围宽，抗冲击能力强，能耗低。
输出接口Vout由单片机I/O口PB5控制。
角度检测模块
3）驱动模块
达林顿驱动器（ULN2803），是一个集成芯片，单块芯片可同时驱动8个电机，每个电机由单片机的一个I/O口控制，单需要调节直流电机转速时，使单片机的相应I/O口输出不同占空比的PWM波形即可，电路简单。
驱动电路模块
4）LCD液晶屏显示模块
显示采用液晶显示器1602，电路如下图所示。
1602液晶显示模块按键控制模块5）按键控制模块
按键控制模块如上图所示，S1~S6有单片机I/O口PE2~PE7控制。
6）提示音模块
蜂鸣器模块四．系统软件设计
1．程序总体流程图
2．各个功能模块流程图
3．程序清单(可列入附录)
五、系统调试
1、基本要求
①用直尺测量帆板平衡后水平方向的长度l，计算出sin
l
L
θ=
并与显示的θ进行比较。
重复测
量
次数
项目 1 2 3 4 5
长度l（cm） 6.5 8.1 11 12.8 13.8 实际测量角度θ（°）26 33 47 59 67
③操作键盘后，用量角器测量帆板翻转后与垂直方向的角度最大值及最小值。
重复测量5次。
2、测试结果分析
上表分析，风力的大小影响帆板抖动，在45度以下时帆板的抖动较小，之上抖动稍大点，由上面表格数据可以看出我们的帆板还是比较稳定。
六、系统总结
本设计通过单片机控制直流电机风扇的转速来控制帆板与水平面的夹角，并通过角度传感器和LCD显示屏分别来检测及显示该角度。
以优异的指标完成了题目的基础和发挥部分的各项要求。
七、附总原理图
参考文献：
[1] 单片机课程设计指导/楼然苗，李飞光编著.—北京：北京航空航天大学出版社，2007.7
[2] 常用电子器件及典型应用/周惠潮，孙晓峰编著.—北京：电子工业出版社，2007.4
[3] 全国大学生电子设计竞赛技能训练/黄智伟编著.—北京：北京航空航天大学出版社，2007.2
[4] 集成运放应用电路设计360例/王昊，李昕编著.—北京：电子工业出版社，2007.1
[5] 赵健、吴顺伟、任志舶基于倾角传感器的自动平衡系统[J].现代电子技术 2008（16）。
[6] 周姣、蒋求生 SCA100T角度传感器在角度测量系统中的设计[J].科技风 2009（11）。
附录：
2．仪器设备清单
1)直流电机
2)数字万用表
3)数字示波器
4)稳压电源
3．电路图图纸
主控制模块
角度检测模块
驱动电路模块
1602液晶显示模块按键控制模块蜂鸣器模块
4．程序清单。
