基于AT89C52的風擺控制系統設計與實現

尚坡利，吳寧

基于AT89C52的風擺控制系統設計與實現

尚坡利1，吳寧2

（1.蘭州石化職業技術學院電子電氣工程系，甘肅蘭州730060；2.蘭州工業學院電氣工程學院，甘肅蘭州730050）

介紹了一種基于AT89C52單片機為控制核心的風擺控制系統，該系統通過調節直流風扇轉速實現對擺桿擺角的實時測量、顯示和控制。系統采用SCA100T-D02角度傳感器來實現對擺桿轉角信號的采集，根據轉角值輸出一定占空比的PWM脈沖波，用L298N作為驅動電路控制風扇電機轉速，以達到控制擺桿轉角的目的，同時在徑向距離大于50cm時可用蜂鳴器報警。該系統經過測試實驗，能耗低，性價比高，具有較高的實際應用價值。

檢測技術與自動化裝置；風擺；AT89C52

0　引言

2015年全國大學生電子設計競賽本科組B題以風力擺控制系統為研究對象，要求所設計系統在規定時間內能夠做出重復自由擺運動，或是可根據要求設定擺動方向，擺動時所附加激光筆能夠畫出直線段；或是將風力擺拉起一定角度放開，規定時間內使風力擺制動達到靜止狀態。本論述基于該競賽題目提出的設計要求，給出一種簡單實用、性價比高，且易于實現的設計方案。

1　總體方案設計

根據題目的要求，本系統需解決以下問題：對風扇電機的轉速進行快速而準確的控制，以保證風扇的轉角短時間穩定在控制范圍內；為保證系統的精度要求，必須要對擺桿擺動角度進行實時檢測及顯示；為保證擺桿達到預定角度還需要相應的設定電路。根據以上要求，其控制模型框圖見圖1所示。

圖1　控制系統模型框圖

2　系統設計

為完成系統控制目標，對各環節模塊進行如下設計。

2.1控制模塊設計

根據題目要求，控制器主要用于傳感器信號的接收與辨認、控制電機轉動、顯示實時角度等。有以下兩種方案：

方案一：采用FPGA作為系統控制器。FPGA可以實現各種復雜的邏輯功能，規模大、密度高、體積小、穩定性高，并且可應用EDA軟件仿真、調試，易于進行功能擴展。但由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線復雜，加重了電路設計和實際焊接的工作［1］。

方案二：采用AT89C52作為系統控制器［2］。單片機AT89C52是一種帶8K字節內嵌可編程閃存的低功耗高性能的八位微控制器，雙數據指針，具有3個16位定時/計數器，6個兩級中斷源結構，以及掉電模式下的自動保存功能，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現各種算法和邏輯控制，可以達到本系統的要求［3］。

基于以上分析，選擇方案二。

2.2轉角采集模塊設計

方案一：采用MMA7455L芯片。其為XYZ三軸微機電加速度計，可測量三軸方向上工作參數，輸出為8位或10位的數字量，可直接與單片機連接。硬件電路簡單，但成本較高，軟件程序調試較困難［4］。

方案二：采用SCA100T-D02。SCA100T-D02測量范圍為-90°～+90°，具有模擬和數字兩路輸出。模擬量輸出電壓為0～5V，不需信號調理電路就可送入A/D，可采用模擬量輸出，后接AD0809。此方案硬件電路簡單，軟件調試簡單，測量數據穩定［5-6］。

基于以上分析，選擇方案二。

2.3驅動及調速模塊設計

方案一：采用線性放大驅動方式。單片機輸出數字量，經D/A后轉換為連續變化的電壓值，經功率驅動后加在直流風扇電機上。此方式波動小，線性好，對鄰近電路干擾小，但存在效率低和散熱等問題。硬件需要D/ A轉換器，電路復雜，成本高。

方案二：采用PWM調速。PWM調速是使加在直流電機兩端的電壓為方波形式，通過改變方波占空比實現對電機轉速調節，PWM由單片機輸出。采用L298N作為驅動芯片，其內部開關為電子開關，速度很快，穩定性也極強。此方案電路簡單，使用比較方便。

基于以上分析，選擇方案二。其電路原理圖見圖2所示：

圖2　L298N電機驅動原理圖

2.4顯示模塊設計

方案一：使用傳統的數碼管顯示。數碼管具有低功耗、低損耗、低壓、壽命長、耐老化、防曬、防潮、防火、防高（低）溫，對外界環境要求低，易于維護，操作簡單等特點。數碼管采用BCD編碼顯示數字，程序編譯容易，資源占用較少；但是其不適合顯示字符，且電路復雜。

方案二：使用12864液晶顯示屏顯示。12864液晶顯示屏（LCD）具有輕薄短小、低耗電量、無輻射危險，平面直角顯示以及影像穩定不閃爍等優勢，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強等特點［7］。

基于以上分析，選擇方案二。

2.5風機模塊設計

方案一：交流風機使用方便，常用于工業控制，但運動精度低，難以實現精確的位置控制。如用交流電機控制風板轉動，將難以控制其精確位置，系統穩定性差，較難達到題目的要求。

方案二：直流電機的運動精度很高，可實現較為精確的運動，由其組成的位置控制系統定位準確，穩定時間短，一般可采用開環控制。直流電機的控制系統必須與其驅動控制器匹配使用，控制起來也十分方便。

基于以上分析，選擇方案二。

根據上述分析，設計出系統硬件方案，由SCA100T-D02采集轉角信息后送入ADC0809轉換，輸出的8位數字量送入AT89C52中，單片機經分析處理后輸出一定占空比的PWM，經L298N功率驅動放大后控制電機轉速，同時可用按鍵設定擺桿轉角并顯示［8］。

2.6程序流程圖

根據系統控制要求，可設計主流程見圖3所示：

圖3　系統主流程圖

3　測試結果分析

通過測試結果得出，當帆板角度從0°～60°范圍變化時，當角度小于20°時，控制較易，誤差較小；當角度接近60°時，控制時間明顯增加，精度存在一定誤差。當控制角度在30°～50°時，誤差小，控制時間短，調節參數符合標準要求。本設計方案可基本滿足設計要求，下一步可通過改進硬件及軟件設計方案達到更高控制目標。

［1］吳厚航.深入淺出玩轉FPGA［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2013.

［2］凌志浩.AT89C52單片機原理與接口技術［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［3］黃智偉.全國大學生電子設計競賽訓練教程［M］.北京：電子工業出版社，2010.

［4］谷云高，石彥君，周曉靜，等.基于MMA7455的機器人姿態控制系統的研究［J］.制造業自動化，2010，32（08）：15-17.

［5］孫汝建.基于SPI接口的雙軸SCA100T傾角傳感器及其應用方法［J］.儀器儀表用戶，2006，13（4）：69-71.

［6］王盛軍，邵瓊玲.基于SCA100T和MCU數字傾角傳感器的設計與實現［J］.微計算機信息，2010，26（22）：90-91.

［7］張新強.點陣LCD驅動顯控原理與實踐［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2010.

［8］朱清.基于單片機控制的人機界面應用研究［J］.工業控制計算機，2009，22（12）：5+7.

TP273；TP368.1

A

10.3969/j.issn.1672-6375.2016.09.012

2016-7-10

尚坡利（1984-），女，漢族，河南汝州人，研究生，助教，主要研究方向：電力系統及其自動化、智能電網、智能控制。