采用单片机的帆板角度控制系统的设计与实现

系统采用单片机(STC89C54RD)作为主要控制器件，采用HEDS9701槽型光耦加360线光栅片组成的编码器获取帆板的角度信息，由单片机实时采集编码器的正交信号，从而获得实际角度。根据实际角度和目标角度数值，通过PID算法获得控制参量，调整PWM的参数，从而控制风扇转速，实现对帆板的角度修正和动态控制。

帆板控制系统，通过对风扇转速的控制，调节风力大小，改变遮风板转角θ，显示范围为0°～60°，分辨力为2°，绝对误差≤5°；当间距d=7～15 cm时，通过操作键盘控制风力大小，控制帆板转角θ，θ在0°～60°，要求控制过程在5s内完成，并实时显示，且有声光提示。如图1所示。

1 总体方案确定

    帆板控制系统总体框图主要由单片机、角度信息采集模块、键盘输入模块、显示模块、电机驱动模块以及电源模块构成。系统设计总体框图如图2所示。

    (1)角度信息采集模块：采用HEDS9701槽型光耦加360线光栅片组成的编码器获取帆板的角度信息，分辨率为1°，符合设计要求，且已经是数字信号，无需通过A／D采用模块输入单片机系统，稳定可靠。

    (2)电机驱动模块：选用直流电机风扇，工作电流1．2 A，工作电压12 V。经测试，风力能将帆板吹至约80°。采用单片机STC89C54作为主控芯片，通过编码器输出的正交信号可以实现直流电机的正反转控制，通过PWM方式控制风扇转速，从而实现对帆板的角度控制。

    (3)控制系统的选择：选用STC89C54作为主控器件，STC系列单片机是红星科技生产的单时钟、机器周期(IT)单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051。

2 理论分析与计算

2．1 角度信号的产生与计算
    角度通过编码器输出的正交信号进行计算获得。如图3所示，A、B分别是传感器输出的两路正交信号。

    如表1所示，正交信号A和B共同组成了4种情况，如当前A为1；B为0时；信号变为A为0；B为0，则帆板往反方向转，角度减少1°；信号变为A为0，B为1，则帆板往正方向转，角度增加1°；以此类推，正反方向各共有4种情况。
2．2 PID控制直流电机算法介绍
    设计采用PI转速控制，PI控制实现采用常规方法，并包含了一个(Kc*Excess)项以抑制积分饱和，如图4所示。

    相应程序为
   

3 硬件电路设计

3．1 电源模块

    采用开关电源12 V作为直流电源，经过电容滤波、7805稳压后得到+5 V电压，提供给单片机、存储器24C02的供电，如图5所示。

3．2 风扇控制电路

    图6为风扇控制电路，FS-和+12 V接风扇，当P23为0时，Q2截止，Q1导通，电机运转。当P23为1时，Q2导通，Q1截止，电机不运转。

3．3 显示按键电路

    如图7所示，系统由两组4位共阴数码管和4个按键组成，DPY1显示测得的角度，DPY2显示设定或改变的角度。4个按键分别为设定键，启动／停止键，-1键和+1键。74LS145为4线-10线译码器／驱动器，A、B、C、D连单片机P00～P03，0～9分别连接两组数码管、键盘和发光二极管，其中数码管的位控制和按键是共用的。74HC164是串行并出移位寄存器，提供接数码管的段码信号。

4 软件部分

    总程序流程图如图8所示，程序采用模块化设计，分成几部分的独立子程序。首先是按键判断子程序，采用矩阵式按键的扫描方式来编写程序，当有键按下时把相应的键值存储在RAM中，主程序根据键值来判断执行哪一段程序。设定数据有两种，一种是设定P值0～100％，对应帆板的角度，另外一种是设定A在0°～60°，同样，帆板的转角也会到达相应的设定值，然后进行数据显示处理，然后调整PI值进行风扇转速控制输出，如果帆板进入设定值的绝对值5°内，则红色发光二极管闪亮3次，同时蜂鸣器响3下；如果没有进入，则发光二极管不亮、蜂鸣器不响。

    T0中断是数据显示和按键检测、PWM数据处理、蜂鸣器输出程序。如图9所示。

    T1中断是正交编码器信号检测和处理程序，如图10所示。

    T2中断产生PWM，脉宽调整。如图11所示。

5 系统调试与测试结果

    (1)用手转动帆板，能显示帆板的转角度数。角度范围为0°～60°，分辨力为1°，经测试系统误差值为0°。(2)当间距d=7～15 cm时，通过操作键盘控制风力大小，控制帆板转角θ，θ在0°～60°，要求控制过程在5 s内完成，并实时显示，且有声光提示。

6 结束语

    经测试，系统性能达到了设计要求，帆板角度控制属于自动化控制类，设计采用槽型光耦加360线光栅片组成的传感器能精确定位角度，是一种良好的角度控制传感器，再利用PID算法控制PWM参量，从而控制风扇的转速。