帆板控制系統的設計與實現

鄭揚冰，薛 曉

ZHENG Yang-bing1, XUE Xiao2,3

（1. 中國礦業大學，北京100083；2. 中國地質大學，武漢 430074；3. 南陽理工學院，南陽 473004）

0 引言

2011年全國大學生電子設計大賽F組題目要求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。

圖1 帆板控制系統示意圖

1 硬件設計方案及測量原理

結合題目要求和實施的可行性，系統硬件采用ATMEGA16為主控制器，三軸加速度傳感器A7260測量角度，Nokia5110液晶顯示，BTS7960驅動電機風扇轉動和CPU電源直流風扇提供風力。

采用ATMEGA16通過實時檢測與轉換加速度模塊A7260的點位變化，根據公式換算為對應帆板角度的變化并在液晶上顯示。通過4×4鍵盤的設定來改變單片機發給風扇的PWM值以調節電機驅動模塊，控制電機轉速進而改變風扇風力大小，以達到改變帆板角度的目的，同時在液晶上實時顯示出來。系統硬件設計方案如圖2所示。

圖2 系統硬件框圖

1.1 傳感器測量原理

如圖3所示，三軸加速度傳感器A7260能夠檢測X、Y、Z三個軸向上的電位變化ΔV，轉換成對應的角度變化△θ，參考基準電壓和基準角度，即可算出對應角度。傳感器內部能自動進行信號調理、單極濾波以及溫度補償，具有很高的靈敏度，且功耗較低，費用低廉。

圖3 加速度傳感器

測試中帆板角度測量原理如圖4所示。

加速度傳感器A7260測量三軸向上的加速度變化，在X軸方向上的重力加速度分量Ax=gsinθ，當0g時基準電壓1.65V，當改變為1g時，電壓變為0.8V，改變量△＝0.8V，當帆板位于某一角度 θ時其電壓值為x，故sinθ＝（1.65－x）/ 0.8，即θ＝arcsin（1.65－x）/ 0.8為所求。

1.2 風扇控制電路的設計

風扇控制電路的關鍵在于PWM信號的產生以及PWM信號與角度之間關系。ATmega16內部的T/C1有較強的匹配功能，其相頻修正十分適合電機的控制，根據題目要求只需ICR1＝1024即10位即可滿足要求。根據公式：頻率f＝OCR1A/ICR1，改變PWM的占空比，即可實現改變角度的目的。

同時，為使測量結果更穩定，系統采用風道設計，減小了風扇氣流的散失，使風力更集中，帆板抖動減小，保證了系統精度。

圖4 帆板角度測量原理

2 軟件設計方案

軟件程序設計是基于A/D數據實時準確的采集，同時也要對鍵盤進行實時檢測。由于系統需要設定角度值，所以采用了外部中斷，在設定的過程中數據采集暫時中斷。系統程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程圖

加入中斷程序（一部分即可）。

3 測試方案及結果

1）測試數據完整性

根據實際帆板所處的位置，用量角器測量其所處角度，并且多次讀取角度值取出現概率最大值，并記錄在表格內。

當d＝10cm時，θ在0-60°范圍內變化結果如表1所示。

表1 帆板測試結果（基本要求部分，單位°）

當d＝10cm時，θ穩定在45°，要求時間10s，并有聲光提示，測試結果如表2所示。

表2 帆板測試結果（基本要求部分）

發揮部分1，當d＝10cm時，鍵盤設定角度在5s內達到，測試結果如表3所示。

表3 帆板測試結果（發揮部分）

發揮部分2，距離7-15cm改變，鍵盤設定角度，要求5s內達到，測試結果表4所示。

表4 帆板測試結果（發揮部分）

2）結果分析

由測試結果可看出，當用鍵盤調節風扇轉速快慢，測量帆板升降過程中的角度變化值時，液晶實時顯示的角度值和實際值有1°的誤差，其中包括讀數誤差、系統角度采集誤差以及電壓波動造成的誤差。當設定45°值后因為硬件部分采用風道設計，所以帆板的抖動微弱，多次測量值誤差僅為1°，并且在遠小于10s內即可達到穩定，同時發光二極管點亮，蜂鳴器發出提示音。

在測試發揮部分要求時，鍵盤設定0-60°任意角度時，系統可以實現在5s內達到設定角度的要求，同時可以看出當角度增大時，所需要的時間增加，但誤差仍能控制在1°以內。距離為7-15cm任意變化時，角度的設定也是任意的，由于距離的增加，當角度變大時，所需要的時間有時會超出題目所需要的5s以內，但系統仍能把誤差控制在2°以內，精度達到要求。

4 結束語

該控制系統成功的實現了大賽的基本要求和發揮部分題目的要求，獲得了2011年全國大學生電子設計大賽全國一等獎的好成績。

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