采用单片机的帆板角度控制系统的设计与实现

该系统以单片机(STC89C54RD)为主控器件，利用HEDS9701槽型光耦和360线光栅组成的编码器获取帆板的角度信息。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值，通过PID算法获得控制参数，调整PWM参数，从而控制风扇转速，实现帆板的角度修正和动态控制。

帆板控制系统，通过控制风扇转速，调节风力，改变挡风板角度，显示范围0 ~ 60，分辨率2，绝对误差5；当距离d=7 ~ 15 cm时，通过操作键盘控制风力，帆板角度控制在0 ~ 60。要求控制过程在5秒内完成，并实时显示，有声光提示。如图1所示。

1总体方案确定风帆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、电源模块组成。系统设计的总体框图如图2所示。

(1)角度信息采集模块：利用HEDS9701槽式光耦和360线光栅组成的编码器采集帆板的角度信息。分辨率为1，符合设计要求，而且已经是数字信号，不需要通过A/D模块输入单片机系统，稳定可靠。

(2)电机驱动模块：选用DC电机风扇，工作电流1.2 A，工作电压12 V。经过测试，风力可以把帆板吹到80左右。采用单片机STC89C54作为主控芯片，编码器输出的正交信号可以控制DC电机的正反转，通过PWM控制风扇转速，从而控制帆板的角度。

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

2理论分析和计算

2.1角度信号的产生和计算角度由编码器输出的正交信号计算。如图3所示，A和B分别是传感器输出的两个正交信号。

如表1所示，正交信号A和B共同构成四种情况，如电流A为1；当b为0时；并且信号a变成0；当b为0时，帆板反方向转动，角度减小1；当信号A为0，B为1时，帆板正向转动，角度增加1；以此类推，正反方向有四种情况。2.2 PID控制DC电机算法介绍设计采用PI速度控制，PI控制的实现采用常规方法，并包含一个(Kc*Excess)项抑制积分饱和，如图4所示。

相应的程序是

3硬件电路设计3.1电源模块

12 V开关电源用作DC电源。经过电容滤波和7805稳压后，得到5 V的电压，提供给MCU和存储器24C02，如图5所示。

3.2风扇控制电路

图6显示了风扇控制电路。FS-和12 V连接到风扇。当P23为0时，Q2关闭，Q1开启，电机运行。当P23为1时，Q2打开，Q1关闭，电机不运行。

3.3显示按键电路

如图7所示，系统由两组4位共阴极数码管和四个按钮组成。DPY1显示测量的角度，DPY2显示设定或更改的角度。这四个键是设置键、开始/停止键、1键和1键。74LS145是一款4线10线解码器/驱动器。a、B、C、D接单片机P00~P03，0 ~ 9分别接两组谢妮管、键盘和LED，其中谢妮管的位控和按键共用。74HC164是一个串并行移位寄存器，提供连接到数码管的段代码信号。

软件部分的一般程序流程图如图8所示。程序采用模块化设计，分成几个独立的子程序。首先是按键判断子程序，用矩阵按键的扫描方式编写程序。当一个键被按下时，相应的键值被存储在RAM中，主程序根据键值判断执行哪个程序。设置数据有两种，一种是设置P值为0 ~ 100%，对应帆板的角度，另一种是设置一个值为0 ~ 60。同样帆板的角度也会达到相应的设定值，然后进行数据显示和处理，再调整PI值进行风扇转速控制和输出。如果帆板的绝对值在5以内，红色LED会闪烁三次，蜂鸣器会响三次。否则，LED将不会亮起，蜂鸣器也不会鸣响。

中断是数据显示和按键检测、PWM数据处理和蜂鸣器输出的程序。如图9所示。

T1中断是正交编码器的信号检测和处理程序，如图10所示。

T2中断产生PWM，脉冲宽度被调整。如图11所示。

5系统调试及测试结果(1)用手转动帆板，可以显示帆板的角度程度。角度范围为0 ~ 60，分辨率为1，被测系统误差值为0。(2)当距离d=7 ~ 15 cm时，通过操作键盘控制风力，帆板角度控制在0 ~ 60。要求控制过程应在5 s内完成，并实时显示，有声光提示。

结论经过测试，系统性能满足设计要求，帆板角度控制属于自动控制范畴。设计了由槽形光耦和360线光栅组成的传感器，可以精确定位角度，是一种很好的角度控制传感器。然后，利用PID算法控制PWM参数，从而控制风扇的转速。