帆板控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)( 2013屆)題 目： 帆板控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 學(xué) 院: 物理與電子信息工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè): 電子信息科學(xué)與技術(shù) 班級(jí): 09 電科本 姓 名: 沈珂敏 學(xué) 號(hào): 09110113111 指導(dǎo)老師: 楊衛(wèi)波 完成日期: 2013/03/01 物理與電子信息學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠(chéng)信承諾書(shū)1、本人鄭重地承諾所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是在指導(dǎo)教師 楊衛(wèi)波 老師的指導(dǎo)下嚴(yán)格按照學(xué)校和學(xué)院有關(guān)規(guī)定完成的。2、本人在畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）中引用他人的觀點(diǎn)和參考資料均加以注釋和說(shuō)明。3、本人承諾在畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）選題和研究過(guò)程中沒(méi)有抄襲他人研究成果和偽造相關(guān)數(shù)據(jù)等行為。4、在畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）

2、中對(duì)侵犯任何方面知識(shí)產(chǎn)權(quán)的行為，由本人承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者簽名：沈珂敏 班級(jí)：09電科本 學(xué)號(hào)： 09110113111 2013 年 3 月 1 日目 錄摘要IAbstractII1 緒論11.1 課題的背景及意義11.2 論文研究的基本內(nèi)容11.3 開(kāi)發(fā)環(huán)境概述21.4 論文組織結(jié)構(gòu)22 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案32.1 設(shè)計(jì)思路32.2 各模塊方案的比較與選擇32.2.1 主控模塊的比較與選擇32.2.2 角度模塊的比較與選擇32.2.3 顯示模塊的比較與選擇42.2.4 鍵盤(pán)模塊的比較與選擇42.2.5 風(fēng)扇的比較與選擇42.2.6 電源模塊的比較與選擇52.3 最終設(shè)計(jì)方案

3、53 系統(tǒng)硬件的基本組成部分63.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各硬件模塊電路63.1.1 控制模塊的最小系統(tǒng)板63.1.2 ADXL345角度傳感器模塊原理圖73.1.3 顯示模塊LCD1602引腳連接圖73.1.4 鍵盤(pán)模塊電路圖83.1.5 聲光提示部分電路圖83.2 主要硬件單元電路的設(shè)計(jì)分析93.2.1 PWM直流風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制93.2.2 ADXL345角度檢測(cè)103.2.3 串口通信104 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及框圖描述114.1 PWM信號(hào)的產(chǎn)生114.2 I²C總線(xiàn)的組成及工作原理124.2.1 起始和終止信號(hào)124.2.2 典型信號(hào)134.3 按鍵輸入軟件接口設(shè)計(jì)144.4 PID

4、控制154.5 軟件設(shè)計(jì)流程圖174.5.1 PWM波產(chǎn)生流程圖174.5.2 按鍵處理流程圖184.5.3 顯示模塊流程圖194.5.4 聲光提示流程圖194.5.5 系統(tǒng)總流程圖205 系統(tǒng)的調(diào)試及分析215.1 測(cè)試儀器215.2 帆板控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行測(cè)試215.2.1 角度傳感器采集的角度顯示測(cè)試215.2.2 手動(dòng)控制風(fēng)扇速度測(cè)試215.2.3 帆板角度自動(dòng)控制測(cè)試（一）225.2.4 帆板角度自動(dòng)控制測(cè)試（二）226 結(jié) 論23致謝24參考文獻(xiàn)25附 件26摘要本設(shè)計(jì)采用C8051F410單片機(jī)作為核心控制器，利用角度傳感器ADXL345來(lái)檢測(cè)帆板的傾斜角度，單片機(jī)通過(guò)ADXL3

5、45傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，并處理算出其在垂直平面上的傾斜角度，應(yīng)用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)控制直流風(fēng)扇的風(fēng)力大小，然后在LCD1602液晶屏上實(shí)時(shí)顯示帆板轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)對(duì)帆板轉(zhuǎn)角的控制。該系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制、風(fēng)扇調(diào)速、角度檢測(cè)模塊、液晶顯示、鍵盤(pán)控制以及聲光提示等模塊組成。測(cè)量距離在7cm15cm范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)角能夠于5秒內(nèi)達(dá)到設(shè)定值，絕對(duì)誤差5°。關(guān)鍵詞：帆板控制，C8051F410，PWM調(diào)速，角度檢測(cè)，PID算法IIAbstractThe design uses a C8051F410 microcomputer as the core controller, detecting the

6、angle of inclination of the sailboard with the angle transducer ADXL345. The single chip microcomputer collects the signals through ADXL345, handles and calculates its tilt angle in the vertical plane, applies the pulse width modulation technology to control the wind force of DC fans, and then carri

7、es out real-time display of sailboard corner on the LCD1602, realizing the control of sailboard corner. The system mainly consists of MCU control module, fan speed control module, angle detection module, LCD display module, keyboard control module and sound-light alarm module etc. In the range 7 - 1

8、5 cm, the angle can reach to the set angle within 5 seconds. The absolute error can 5°.Key words：sailboard control system，C8051F410，PWM，angle detection，PID1 緒論1.1 課題的背景及意義隨著科技的不斷發(fā)展，自動(dòng)控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航天、新能源研究等高科技領(lǐng)域。單片機(jī)以其造價(jià)低，體積小，功能強(qiáng)大，開(kāi)發(fā)周期短等特點(diǎn)而成為一些智能化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的核心控制研究對(duì)象，也是設(shè)備能否正常運(yùn)作的先決條件。是否可以進(jìn)行聲光提示、人機(jī)交互又成為越來(lái)

9、越感興趣的研究方向。帆板控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)自于全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽題，它可以實(shí)現(xiàn)按鍵操作、聲光提醒、LCD顯示等功 能。傳統(tǒng)的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)因其硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，控制靈活性差而不能滿(mǎn)足日常簡(jiǎn)單的小型直流電機(jī)的調(diào)速控制，因此采用PWM調(diào)制技術(shù)控制直流風(fēng)扇，具有簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)1。傳感器作為一種檢 測(cè)裝置在現(xiàn)代生活中有著至關(guān)重要的作用。它能將感 測(cè)到的信息按照某種特 定規(guī) 律轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或其他非電信號(hào)形式的信息，從而滿(mǎn)足信息的傳輸、顯示、處理和存儲(chǔ)等功能要求。利用帆板控制系統(tǒng)中的單片機(jī)處理器可以時(shí)刻掌握風(fēng)扇實(shí)際轉(zhuǎn)速，加入角度傳感器可以精確測(cè)量當(dāng)前的帆板偏轉(zhuǎn)角度，從而反饋、比較、算出所需風(fēng)力大小

10、，實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的自動(dòng)控制。因此帆板控制系統(tǒng)有其現(xiàn)實(shí)意義的研究?jī)r(jià)值和一定范圍的發(fā)展前景。1.2 論文研究的基本內(nèi)容設(shè)計(jì)并制作一個(gè)系統(tǒng)具體如圖1-1所示，通過(guò)調(diào)節(jié)與設(shè)置風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，能夠控制風(fēng)力大小，從而使帆板轉(zhuǎn)角發(fā)生的相應(yīng)變化。 圖1-1 整體示意圖當(dāng)用手轉(zhuǎn)動(dòng)帆板時(shí)，系統(tǒng)能夠以數(shù)字形式實(shí)時(shí)顯示帆板的轉(zhuǎn)角(0到90°)，當(dāng)距離d=10cm時(shí)，利用按鍵調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，能夠使帆板轉(zhuǎn)角在060°變化且帆板轉(zhuǎn)角在5秒內(nèi)穩(wěn)定，轉(zhuǎn)角達(dá)到預(yù)設(shè)角度的±5°范圍內(nèi)時(shí)會(huì)聲光提示，當(dāng)距離d在715cm范圍內(nèi)任意選擇時(shí)，通過(guò)按鍵設(shè)定帆板轉(zhuǎn)角，能使帆板在5秒內(nèi)到達(dá)設(shè)定值并保持穩(wěn)定2。1.3

11、 開(kāi)發(fā)環(huán)境概述系統(tǒng)選用基于USB接口的C8051F系列單片機(jī)調(diào)試仿真器U-EC6，開(kāi)發(fā)環(huán)境選擇KEIL C51，其支持8位機(jī)的匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言，編譯效率高。支持用戶(hù)在調(diào)試過(guò)程中能夠進(jìn)行相應(yīng)變量數(shù) 值與類(lèi) 型的檢 查修改、堆棧與寄 存器的靈活運(yùn)用、存 儲(chǔ)器與寄 存器的配 置；同時(shí)也支持程序斷 點(diǎn)、觀察點(diǎn)設(shè)置，下載代 碼到Flash存 儲(chǔ)器，根據(jù)不同操作使程序選擇全 速運(yùn) 行或連續(xù)單 步等功能。1.4 論文組織結(jié)構(gòu)第一部分 為緒論，介紹了論文背景、意義及主要研究工作。第二部分 總體介紹了系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與最終確定。第三部分 具體介紹了硬件的組成及主要電路的分析。第四部分 具體介紹了軟件設(shè)計(jì)過(guò)程及其程

12、序流程框圖。第五部分 為調(diào)試，介紹了系統(tǒng)的測(cè)試方法及結(jié)果的記錄與分析。第六部分 為結(jié)論，對(duì)本文做出概括性總結(jié)，并討論了系統(tǒng)的可優(yōu)化之處。302 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案分別由設(shè)計(jì)思路、各主要模塊電路的比較與選擇、總體方案的論證組成。2.1 設(shè)計(jì)思路課題要求設(shè) 計(jì)的該 帆 板系統(tǒng)，其垂直平面與帆板平面的夾 角的改變，可以通過(guò)控 制風(fēng)扇的轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)風(fēng) 力大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體思路是采用單 片機(jī)輸出PWM方 式控制直 流電機(jī)，從而改變風(fēng)扇的風(fēng) 力大小，帆板因受到風(fēng) 力大小的不同，會(huì)使帆板偏 轉(zhuǎn)的角度發(fā)生相應(yīng)變化，角度傳感器把檢測(cè)到的帆板偏轉(zhuǎn)角信號(hào)送給單片機(jī)型號(hào)為C8051F410進(jìn)行處理使其達(dá)到設(shè)計(jì)所需

13、的要求并可用鍵盤(pán)操作進(jìn)行調(diào)整，液晶屏上可以實(shí)時(shí)顯示帆板當(dāng)前風(fēng)力、角度以及自動(dòng)控制模式下所設(shè)置的角度。2.2 各模塊方案的比較與選擇2.2.1 主控模塊的比較與選擇方案一：采用AT89C51系列單片機(jī)，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中由于要求是功率顯示，而此單片機(jī)雖然價(jià)格低廉，但過(guò)于陳舊，內(nèi)存小，速度不夠快，無(wú)內(nèi)置開(kāi)門(mén)狗，內(nèi)部沒(méi)有自帶AD轉(zhuǎn)換器，所以得外部擴(kuò)展AD轉(zhuǎn)換器，會(huì)使整個(gè)設(shè)計(jì)復(fù)雜化。方案二：采用ATmega16單片機(jī)，該單片機(jī)屬于AVR系列，其性能同STC89C52類(lèi)似，基本能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，內(nèi)部雖有AD采樣，但是體積偏大，且從未嘗試過(guò)，實(shí)際操作起來(lái)、功能的實(shí)現(xiàn)方面需要重新研究，所需學(xué)習(xí)周期過(guò)長(zhǎng)，不是很適合

14、3。方案三：采用C8051F410單片機(jī)，它擁有24個(gè)數(shù)字I/O端口，可耐5.25V，有弱上拉、推挽兩種輸出方式，內(nèi)設(shè)交叉開(kāi)關(guān)，可靈活配置；該芯片擁有4個(gè)通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器，16位可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA）,片內(nèi)看門(mén)狗，2304字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM，32K FLASH，SMBus(兼容I²C)、UASRT串口4。C8051F410單片機(jī)采用流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)兼容CIP-51內(nèi)核，速度可達(dá)50MIPS，比前兩者更快，體積更小，功能更強(qiáng)大，考慮到本人對(duì)該款單片機(jī)較為熟悉，課程學(xué)習(xí)中有應(yīng)用，且該控制器易于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求、下載方便，足以勝任本系統(tǒng)的主控芯片。綜上所述，選擇方案三。2.2.2 角度模

15、塊的比較與選擇方案一：采用SCA60C單軸傾角傳感器，該集成芯片具有體積小、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)5。但直接與單片機(jī)連接會(huì)使IO口占用較多，因其承受重量較小，所以對(duì)帆板質(zhì)量的要求相對(duì)較高，且價(jià)格昂貴，不適合使用。方案二：采用高靈敏度電位器WWD35，將電位器的旋轉(zhuǎn)軸固定在帆板的轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電位器的轉(zhuǎn)軸也會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)通過(guò)測(cè)量電位器的電壓變化即可得到近似線(xiàn)性的帆板角度6。該傳感器阻值范圍寬、線(xiàn)性精度高、分辨力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)，但將電位器與帆板轉(zhuǎn)軸固定在一起，會(huì)使帆板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到一定的阻力，降低了帆板的旋轉(zhuǎn)靈活性且價(jià)格偏貴7。所測(cè)得的電壓為模擬信號(hào)，需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再輸送給單片機(jī)進(jìn)行處理，或

16、者將信號(hào)直接輸出送給單片機(jī)進(jìn)行A/D處理，但這樣會(huì)增加程序的編程量和單片機(jī)的工作負(fù)荷。方案三：采用ADXL345數(shù)字加速度傳感器，該傳感器是一款小而輕薄的超低功耗的3軸加速度計(jì)，可測(cè)量帆板在斜面所受到的重力加速度在斜面上的垂直分量，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成傾斜角度，測(cè)量精度高8。ADXL345輸出信號(hào)直接就是數(shù)字信號(hào)，避免了AD轉(zhuǎn)換，操作簡(jiǎn)單，且整個(gè)模塊只需要用到兩個(gè)I/O口，占用資源相對(duì)而言較少?？紤]到成本問(wèn)題及優(yōu)劣比較，選擇方案三。2.2.3 顯示模塊的比較與選擇方案一：采用七段數(shù)碼管（LED）顯示，數(shù)碼管具有亮度高、工作電壓小、功耗低、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、耐沖擊且性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，并且硬件調(diào)試方便易行，可采用BC

17、D數(shù)字編碼顯示，編程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。但是此次設(shè)計(jì)中所需設(shè)定的參數(shù)較多，還需要顯示字符，而LED數(shù)碼管的顯示無(wú)法滿(mǎn)足眾多功能設(shè)計(jì)。方案二：采用LCD12864液晶屏顯示，該顯示器所耗功率低、驅(qū)動(dòng)方法和硬件電路連接都較為復(fù)雜，屏幕大能顯示漢字，但本次設(shè)計(jì)可以不需要顯示漢字就可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，且占用IO口多。方案三：采用LCD1602液晶屏顯示，該顯示器控制方法簡(jiǎn)單、功率同LCD12864一樣也低、硬件電路比LCD12864簡(jiǎn)單許多，占用IO口的資源也較少，可顯示數(shù)字和字符，不能顯示漢字，但能達(dá)到本次設(shè)計(jì)的要求。因此，選擇方案三。2.2.4 鍵盤(pán)模塊的比較與選擇方案一：采用4×4矩陣鍵盤(pán)，該鍵盤(pán)外

18、型美觀，輸入直觀易見(jiàn)，但是這種鍵盤(pán)使用于所需設(shè)定功能多的場(chǎng)合，硬件與軟件結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜。方案二：采用復(fù)合式鍵盤(pán)，其中一個(gè)按鍵用于選擇PWM模式或自動(dòng)控制角度模式，另外兩個(gè)按鍵為一加一減，雖然理解簡(jiǎn)單，但是考慮到復(fù)用模式，會(huì)使程序略顯復(fù)雜，且不易實(shí)現(xiàn)或誤操作頻繁，所以不適合。方案三：采用獨(dú)立式鍵盤(pán)，使用時(shí)直接連線(xiàn)，較為方便，且本設(shè)計(jì)只需4個(gè)按鍵，足夠滿(mǎn)足要求。因此，選擇方案三。2.2.5 風(fēng)扇的比較與選擇方案一：采用步進(jìn)電機(jī)控制，自己制作風(fēng)扇葉片，但是制作起來(lái)復(fù)雜，風(fēng)扇葉片選材困難，不好固定，且風(fēng)力較為擴(kuò)散，使得帆板的轉(zhuǎn)角不穩(wěn)，難以進(jìn)行測(cè)量與控制。方案二：采用USB風(fēng)扇，外型美觀，選擇類(lèi)型多樣，

19、但是風(fēng)力嚴(yán)重不足，不適合此設(shè)計(jì)要求。方案三：采用PWM波控制的直流電機(jī)風(fēng)扇，無(wú)需額外的驅(qū)動(dòng)電路，操作簡(jiǎn)單，控制方便，風(fēng)力強(qiáng)弱可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此，選擇方案三。2.2.6 電源模塊的比較與選擇方案一：采用自己制作的電源模塊，但考慮到硬件電路略顯復(fù)雜，制作需要花費(fèi)一定時(shí)間，調(diào)試過(guò)程可能存在安全隱患，且本次設(shè)計(jì)只需要5V和12V電壓供電，特意制作一個(gè)電源模塊沒(méi)多大必要。方案二：采用直接用直流電壓源提供12V電壓，單片機(jī)引腳輸出5V電壓，對(duì)電路和風(fēng)扇進(jìn)行供電，簡(jiǎn)單易行。因此，選擇方案二。2.3 最終設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)以上各方案的論 證與比較，最后得出系 統(tǒng)組 成的各個(gè)模 塊如下：（1） 控制模塊方案：選用C

20、8051F410單片機(jī)作為主控芯片。（2） 角度模塊方案：選用ADXL345加速度傳感器作為角度檢測(cè)模塊的傳感器。（3） 顯示模塊方案：選用LCD1602液晶屏顯示。（4） 鍵盤(pán)模塊方案：選用互不干擾的4個(gè)獨(dú)立按 鍵控制。（5） 風(fēng)扇選擇方案：選用PWM控制的直流電機(jī)風(fēng)扇。（6） 電源模塊方案：直接選用實(shí)驗(yàn)室里直流電壓源提供12V電壓。（7） 聲光提示部分由LED燈與蜂鳴器組合實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)基本組成框圖如下：PWM C8051F410 單片機(jī)直流風(fēng)扇帆板轉(zhuǎn)角角度傳感器鍵盤(pán)輸入直流電源LCD顯示聲光提示圖2-1 帆板控制系統(tǒng)的基本組成框圖3 系統(tǒng)硬件的基本組成部分3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各硬件模塊電路3.

21、1.1 控制模塊的最小系統(tǒng)板圖3-1 單片機(jī)的最小系統(tǒng)所用到的部分功能圖單片機(jī)最小系統(tǒng)板主要由C8051F410單片機(jī)芯片、復(fù)位電路、串口通信電路及IO引腳組成。C8051F410單片機(jī)是由 Silicon Laboratories 公司開(kāi)發(fā)的其中一款高性能SOC單片機(jī)， MAX232芯片是MAXIM公司專(zhuān)為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，相當(dāng)于架起PC機(jī)與單片機(jī)之間的橋梁。根據(jù)電路圖進(jìn)行實(shí)物連接: IO引腳P0.0、 P0.1分別接ADXL345傳感器中的I²C時(shí)鐘引腳、I²C數(shù)據(jù)引腳；P0.4、P0.5分別與232TXD、232RXD相連；P0.7與風(fēng)扇P

22、WM線(xiàn)相連；P1與LCD1602數(shù)據(jù)端口相連；P2.0-P2.3與四個(gè)按鍵相連；P2.5-P2.7與LCD1602命令端口相連。3.1.2 ADXL345角度傳感器模塊原理圖圖3-2 角度傳感器ADXL345模塊原理圖ADXL345內(nèi)部工作電壓為3.3V，而單片機(jī)提供的電壓為5V，所以首先要將電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)采用的ADXL345模塊自帶電壓轉(zhuǎn)換模塊，所以無(wú)需再去討論設(shè)計(jì)其內(nèi)部電路圖的原理與構(gòu)造，只要連接好5V、GND、SCL、SDA四線(xiàn)即可。3.1.3 顯示模塊LCD1602引腳連接圖圖3-3 顯示模塊LCD1602引腳圖本設(shè)計(jì)所用到的1602字符型液晶由點(diǎn)陣組成，能夠同時(shí)顯示16

23、5;2即32個(gè)字符。文字部分用英文縮寫(xiě)替代，連 接方式如圖3-3。3.1.4 鍵盤(pán)模塊電路圖圖3-4 鍵盤(pán)模塊電路圖圖中S1、S2、S3和S4分別與單片機(jī)IO引腳P2.0、P2.1、P2.2和P2.3相連，S1表示選擇角度設(shè)置模式，此時(shí)通過(guò)S2、S3分別輸入角度值的十位和個(gè)位值，根據(jù)所按次數(shù)進(jìn)行循環(huán)相加設(shè)定，可輸入最大值為60；S4表示選擇選擇PWM模式，即通過(guò)S2、S3分別可以使占 空比變小、變大，從而手 動(dòng) 控 制風(fēng) 扇的轉(zhuǎn) 速。3.1.5 聲光提示部分電路圖圖3-5 聲光提示部分電路圖在自動(dòng)控制模式下，當(dāng)帆板實(shí)際轉(zhuǎn)角與設(shè)置角度在5°范圍內(nèi)時(shí)，單片機(jī)的P0.6腳輸出為低電平，D1

24、燈亮，蜂鳴器Buzzer開(kāi)始鳴叫。3.2 主要硬件單元電路的設(shè)計(jì)分析3.2.1 PWM直流風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制此系統(tǒng)所選擇的風(fēng)扇內(nèi)置直流電機(jī)，外形美觀，連線(xiàn)方便，驅(qū)動(dòng)良好。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)控方法有以下三種：調(diào)節(jié)電樞供電的電壓、減弱勵(lì)磁磁通和改變電樞回路電阻9，其優(yōu)點(diǎn)是具有良 好的調(diào) 變 特 性，能 繁復(fù)快 速地實(shí) 現(xiàn) 電機(jī)的無(wú) 極 起 動(dòng)、反轉(zhuǎn)與制 動(dòng)，調(diào) 速 范圍 寬，承 受沖 擊 負(fù)荷能 力大，平 穩(wěn) 不 易 過(guò) 載。下面主要介紹的是直流風(fēng)扇電機(jī)PWM調(diào) 速模塊的實(shí)現(xiàn)方法。根據(jù)PWM控制的基本原理可知，一段時(shí)間內(nèi)加在慣性負(fù)載兩端的PWM脈沖與相同時(shí)間內(nèi)沖量相等的直流電加在負(fù)載上的電壓等效，那

25、么如果在短時(shí)間 T內(nèi)脈沖寬度為，幅值為U，由此可以求得此段時(shí)間內(nèi)脈沖的等效直流電壓為,若令，則即為占空比，公式簡(jiǎn)化為（U為脈沖幅值）10。圖3-6 PWM單脈沖要改變風(fēng)扇兩端等效直流電壓的大小，可以通過(guò)改變脈沖幅值U或占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中脈沖幅值一般是恒定的11，所以通過(guò)控制占空比的大小實(shí)現(xiàn)等效直流電壓在0-U之間的任意調(diào)節(jié)是最常見(jiàn)的方法。采用脈寬調(diào)制（PWM）控制電機(jī)的時(shí)候，電源其實(shí)是在特定頻率下以方波脈沖向直流電動(dòng)機(jī)提供電能，而不是連續(xù)形式供電。不同占空比的方波能對(duì)電機(jī)起到調(diào)速作用，這是因?yàn)殡姍C(jī)實(shí)際上是一個(gè)大電感，它有阻礙輸入電流和電壓突變的能力，因此脈沖輸入信號(hào)被平均分配到

26、作用時(shí)間上，這樣，改變電機(jī)始能端上輸入方波的占空比就能改變加在電機(jī)兩端的電壓大小，從而達(dá)到利用PWM控制實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)12，控制風(fēng)扇的目的。本設(shè)計(jì)所選用的是四線(xiàn)PWM調(diào)速風(fēng)扇，有四個(gè)輸入IO口，分別是黑色負(fù)極、紅色正極、黃色測(cè)速、藍(lán)色PWM線(xiàn)，額定電壓為12V。其直流電機(jī)已經(jīng)安裝在風(fēng)扇內(nèi)部，無(wú)需再考慮內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，所以只要將電源接通，單片機(jī)輸出不同占空比的PWM波便可實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的調(diào)速功能。3.2.2 ADXL345角度檢測(cè)ADXL345加速度傳感器具有兩個(gè)可編程中斷引腳，INT1和INT2，共計(jì)八個(gè)中斷源；DATA_READY、SINGLE_TAP、DOUBLE_TAP、Activi

27、ty、inactivity、FREE_FALL、Watermark和Overrun。各個(gè)中斷均可獨(dú)立使能或禁用，只需設(shè)置INT_ENABLE寄存器中的相應(yīng)位即可，通過(guò)INT_MAP寄存器的相應(yīng)位來(lái)選擇映射INT1引腳或INT2引腳。而且ADXL345是一款超低功耗3軸加速度計(jì)，分辨率高，測(cè)量范圍廣，數(shù)據(jù)輸出為補(bǔ)碼格式，可用I2C 或 SPI總線(xiàn)與單片機(jī)進(jìn)行連接即數(shù)字接口訪(fǎng)問(wèn)，模擬輸出的加速度傳感器則需要使用 ADC 進(jìn)行采樣13。現(xiàn)在，普遍使用的單片機(jī)中基本都有內(nèi)置的ADC通道，所以無(wú)論是數(shù)字輸出還是模擬輸出的加速度傳感器都可以非常容易地和單片機(jī)連接，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能。由于加速度傳感器有受到重力

28、的作用，因此在靜止放置時(shí)會(huì)產(chǎn)生 1g的重力加速度。利用該特性，可以測(cè)量ADXL345模塊重力加速度在X、Y 軸上的分量，然后根據(jù)公式計(jì)算出其在垂直平面上的傾斜角度，由此可以將ADXL345加速度計(jì)作為測(cè)量角度的傳感器使用，適合本設(shè)計(jì)。平面傾 斜角具體轉(zhuǎn)換如下所示：圖3-7 平面傾斜角這樣，一個(gè)3 軸加速度計(jì)根據(jù)上述原理可以轉(zhuǎn)化成測(cè)量一個(gè)平面的傾斜角度。 （3-1）由于采用模擬輸出，經(jīng)C8051F410單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)角度采集，在方案比較中已經(jīng)說(shuō)明其不足之處是會(huì)加重單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，而且設(shè)計(jì)中采用的ADXL345模塊可以直接數(shù)字輸出數(shù)據(jù)，就不需要再將設(shè)計(jì)復(fù)雜化。因此，本設(shè)計(jì)采用I²C總

29、線(xiàn)通信方式控制ADXL345角度傳感器進(jìn)行角度的數(shù)字量采集與顯示。3.2.3 串口通信由單片機(jī)最小系統(tǒng)板電路圖3-1可知，串行通信通過(guò)RS-232與MAX232芯片實(shí)現(xiàn)C8051F410單片機(jī)與電腦安裝的串口小助手的交互功能。ADXL345角度模塊所采集到的信號(hào)和PWM的占空比（此處用PCA0CPHn代替）通過(guò)調(diào)試助手進(jìn)行采集，為帆板的精確控制提供有效的數(shù)據(jù)支持。4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及框圖描述程序的模塊化設(shè)計(jì)思路清晰，可移植性強(qiáng)，檢查與修改方便，是編寫(xiě)過(guò)程中普遍采取的框架結(jié)構(gòu)。按照程序模塊的劃分，整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括主程序、風(fēng)扇驅(qū) 動(dòng)模塊、串口通信模塊、角 度采集轉(zhuǎn)換模塊、聲光提 示模塊、按鍵

30、輸入及液 晶顯示模塊。所有的程序均采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，易于調(diào)試和下載14。本系統(tǒng)中帆板角度的測(cè)量與顯示、PWM的產(chǎn)生是程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。其主要思想是通過(guò)角度傳感器測(cè)得的角度與設(shè)置的初始角度進(jìn)行比較，使PWM占空比發(fā)生改變，從而使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，直至達(dá)到要求后穩(wěn)定。利用簡(jiǎn)單的閉環(huán)系統(tǒng)需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)記錄，程序通過(guò)查表法或公式法將對(duì)應(yīng)的PWM占空比反饋給直流電機(jī)進(jìn)行速度的改變。該方法增加了實(shí)驗(yàn)量，控制精確度也不高，特別是因風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速不成線(xiàn)性關(guān)系，直接采用公式法會(huì)造成很大的誤差，所以需在閉環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入PID控制算法。這樣，不但減少了實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)測(cè)量，而且通過(guò)調(diào)試PID參數(shù)，會(huì)使控制更加精確、快

31、速。I²C總線(xiàn)是ADXL345傳感器與單片機(jī)進(jìn)行通信的方式，所以其工作原理及時(shí)序傳送是不可或缺的。LCD1602的實(shí)時(shí)顯示需要掌握液晶顯示的讀寫(xiě)順序、忙檢測(cè)等。按鍵的輸入應(yīng)防止操作不當(dāng)所引起的誤差，此處最好的方法是根據(jù)狀態(tài)機(jī)的原理對(duì)其動(dòng)作和確認(rèn)的過(guò)程進(jìn)行分析判斷并加入消除抖動(dòng)設(shè)計(jì)，即利用延時(shí)判斷。4.1 PWM信號(hào)的產(chǎn)生一般情況下，PWM信號(hào)的產(chǎn)生多采用定時(shí)器定時(shí)計(jì)數(shù)的方法進(jìn)行純軟件控制，比硬件PWM信號(hào)產(chǎn)生電路的制作簡(jiǎn)單可行，但定時(shí)器的使用會(huì)占用中斷時(shí)間，降低CPU的效率。若用C8051F410中可編程計(jì)數(shù)器陣列提供的增強(qiáng)型定時(shí)器，可以比標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器需要更少的CPU干預(yù)，程序簡(jiǎn)單、易

32、于配置，輸出信號(hào)的抖動(dòng)性小15。因此，為了減小CPU負(fù)荷，使系統(tǒng)更優(yōu)化，程序設(shè)計(jì)中采用PCA捕捉模塊實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的產(chǎn)生。系統(tǒng)采用的是定頻調(diào)寬的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的控制。頻率取決于PAC0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘源，此處為24.5MHz的單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘。輸出信號(hào)的占空比可以通過(guò)PCA0CPLn來(lái)改變。當(dāng)PCA0L和PCA0CPLn值一樣時(shí)，CEX0輸出高電平；當(dāng)PCAL中計(jì)數(shù)值從0xFF一直加1到0x00溢出時(shí)，CEX0輸出為低電平，與此同時(shí)，保存在PCA0CPHn中的值自動(dòng)裝入到PCA0CPLn中，無(wú)需軟件干預(yù)。通過(guò)按鍵操作或PID算法改變PCA0CPHn的值改變占空比。8位PWM方式的

33、占空比由下面的方程給出： （4-1）PWM產(chǎn)生部分代碼：void PCA0_Init() EIE1 |= 0x08; /中斷使能 PCA0MD = 0x09; PCA0L=0x80; /設(shè)初值0x80 PCA0CPM0 = 0x4b; /8位PCA0 PWM波 PCA0CPH0 = 0x80;PCA0CN = 0x40; /啟動(dòng)PCA0void PCA0_ISR (void) interrupt 11 CCF0=0; CF=0;4.2 I²C總線(xiàn)的組成及工作原理I²C總線(xiàn)只有兩根雙向信 號(hào)線(xiàn)，一根是時(shí) 鐘線(xiàn)SCL，另一根是數(shù) 據(jù)線(xiàn)SDA，具有低高速同 步電 子器件和總線(xiàn)裁判

34、斷定功能。圖4-1 I²C信號(hào)線(xiàn)本設(shè)計(jì)所用到I²C總線(xiàn)的主機(jī)為C8051F410單片機(jī)，從機(jī)為ADXL345角度傳感器模塊。4.2.1 起始和終止信號(hào)SCL線(xiàn)為“1”時(shí)，SDA線(xiàn)由“1”向“0”的變化表示起始信號(hào)，SCL線(xiàn)為“1”時(shí)，SDA線(xiàn)由“0”向“1”的變化表示終止信號(hào)16。 圖4-2 起始信號(hào)與終止信號(hào)4.2.2 典型信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)I²C總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳送須嚴(yán)格按照時(shí)序要求執(zhí)行，這樣數(shù)據(jù)傳送的可靠性就有了保證。圖4-3 模擬時(shí)序圖ADXL345發(fā)送與接收代碼：void ADXL345_SendByte(uchar dat) uchar k; for (k=0; k&

35、lt;8; k+) /8位計(jì)數(shù)器 dat <<= 1; SDA = CY;DelayUs(1); /送數(shù)據(jù)口 SCL = 1; /拉高時(shí)鐘線(xiàn) DelayUs(5); /延時(shí) SCL = 0; /拉低時(shí)鐘線(xiàn) DelayUs(5); /延時(shí) ADXL345_RecvACK();uchar ADXL345_RecvByte() uchar k; uchar dat = 0; SDA = 1; for (k=0; k<8; k+) /8位計(jì)數(shù)器 dat <<= 1; SCL = 1; /拉高時(shí)鐘線(xiàn) DelayUs(5); /延時(shí) dat |= SDA; /讀數(shù)據(jù) SCL

36、= 0; /拉低時(shí)鐘線(xiàn) DelayUs(5); /延時(shí) return dat;ADXL345數(shù)據(jù)采集部分代碼：void display_adxl()Init_ADXL345(); /初始化ADXL345 Multiple_Read_ADXL345(); /連續(xù)讀出數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在BUF中 data_xyz0=(BUF1<<8)+BUF0; /合成數(shù)據(jù) data_xyz1=(BUF3<<8)+BUF2; /合成數(shù)據(jù) data_xyz2=(BUF5<<8)+BUF4; /合成數(shù)據(jù) Q=(float)data_xyz0*3.9; T=(float)data_xyz1*

37、3.9; K=(float)data_xyz2*3.9; Q=-Q; Roll=(float)(atan2(K,Q)*180)/3.14159265)+180-5); /X軸角度值4.3 按鍵輸入軟件接口設(shè)計(jì)按鍵的操作存在一定的不確定性，所以需要通過(guò)軟件方式也就是用程序代碼的循環(huán)讀寫(xiě)對(duì)其進(jìn)行周而復(fù)始的查詢(xún)。而按鍵在檢測(cè)時(shí)不可避免抖動(dòng)的發(fā)生，可能會(huì)使程序?qū)Π存I產(chǎn)生誤判斷而影響整個(gè)系統(tǒng)，且它的穩(wěn)定閉合時(shí)間是0.3-0.5s，因此狀態(tài)機(jī)的時(shí)間序列周期不僅要遠(yuǎn)小于0.3s使按鍵操作過(guò)程不被丟失，又要能使其抖動(dòng)跳過(guò)，綜合考慮，設(shè)置一個(gè)時(shí)間序列為10ms即可解決以上復(fù)雜問(wèn)題。顯而易見(jiàn)，系統(tǒng)的輸入信號(hào)與按鍵

38、輸出電平有關(guān)，“1”表示按鍵處于開(kāi)放狀態(tài)，“0”表示按鍵處于閉合狀態(tài)，而系統(tǒng)的輸出信號(hào)則表示檢測(cè)和確認(rèn)到一次按鍵的閉合操作，也用“1”表示17。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下：圖4-4 按鍵的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖4.4 PID控制為了使帆板快速達(dá)到設(shè)定角度，并且穩(wěn)態(tài)誤差要小，本人考慮運(yùn)用數(shù)字PID算法控制帆板角度穩(wěn)定。對(duì)一般控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)PID算法的穩(wěn)定效果比較好，但參數(shù)整定是一個(gè)很繁復(fù)的過(guò)程，需要經(jīng)過(guò)多次調(diào)試與計(jì)算才能確定，其模型框圖如圖4-5所示：圖4-5 PID控制模型框圖PID控制器的作用是線(xiàn) 性調(diào)節(jié)輸出，保 證偏差值為零，使系統(tǒng)預(yù)先達(dá)到一個(gè)理想穩(wěn)定的狀態(tài)，其中偏差值由設(shè)定值與輸出的反饋值進(jìn)行比較產(chǎn)生，控制量由微

39、分、比例、積分組 合構(gòu)成。基本原理為運(yùn)用比例、積分、微分算法，對(duì)回路中的偏差進(jìn)行修正，然后通過(guò)執(zhí)行器調(diào)節(jié)參數(shù)輸出u(t)，再經(jīng)過(guò)被控對(duì)象的處理后使測(cè)量值穩(wěn)定在設(shè)定值附近18。模 擬 微 分表 達(dá) 式為： （4-2） 式中各參數(shù)和變量分別是：utt時(shí)刻的調(diào)節(jié)器輸出；Kp比例系數(shù)；e(t)t時(shí)刻的調(diào)節(jié)器輸入；Ti積分時(shí)間常數(shù)；Td微分時(shí)間常數(shù)。PID控制器三個(gè)環(huán)節(jié)的作用如下：(1) 比例環(huán)節(jié)：能以比 例 形式反映控制系統(tǒng)的偏 差，也就是說(shuō)一有偏差信號(hào)，控制器就會(huì)立即有動(dòng)作進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣就可以減小，使調(diào)節(jié)過(guò)程趨于穩(wěn)定。(2) 積分環(huán)節(jié)：主要用于消 除被 調(diào) 量的穩(wěn) 態(tài)誤差，但會(huì)存在一定風(fēng)險(xiǎn)比如造成不

40、穩(wěn)定或者往 返 振 蕩，其影響程 度的強(qiáng) 弱由決定，基本上越小，發(fā)揮的影響能 力就越強(qiáng)。(3) 微分環(huán)節(jié)：反映的變化快慢，而且為了加快控制速度，能提前引入一個(gè)有效的矯正 信 號(hào)，以便減小本設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)時(shí)間和，該環(huán)節(jié)的差異直接制約著系統(tǒng)性 能的好壞。PID算法中最常見(jiàn)的有兩種形式，分別為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法19。本設(shè)計(jì)采用的是位置式PID算法，其離散PID表達(dá)式為： （4-3）實(shí)驗(yàn)時(shí)，由RS232串口通信采集到的PWM與角度數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，兩者在0-60°范圍內(nèi)近似認(rèn)為是線(xiàn)性關(guān)系，且PCA0CPHn約是角度的-4倍，所以可根據(jù)該關(guān)系式先確定，即令，=0，只運(yùn)用比

41、例環(huán)節(jié)，得到一個(gè)愈逼近目標(biāo)控 制的穩(wěn)定的震 蕩參數(shù)，然后根據(jù)這個(gè)和震 蕩周期來(lái)計(jì)算，完成整個(gè)參數(shù)的確定。此次設(shè)計(jì)用經(jīng)典PID控制算法中的PD能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求就不再考慮積分系數(shù)的進(jìn)一步設(shè)定，可直接令其等于零，這樣大大簡(jiǎn)化了根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè) 量所得數(shù) 據(jù)進(jìn)行系數(shù)調(diào) 整的過(guò)程。位置式PID算法部分代碼：float PIDCalc(float NextPoint) float Error,out,dError; Error = pp->SetPoint - NextPoint; / 偏差 pp->SumError += Error; / 積分 dError = pp->LastError -

42、 pp->PrevError; / 當(dāng)前微分 pp->PrevError = pp->LastError; pp->LastError = Error; out=pp->Proportion * Error / 比例項(xiàng) + pp->Integral * pp->SumError / 積分項(xiàng) + pp->Derivative * dError; / 微分項(xiàng) if(PCA0CPH0-4*out>=250|PCA0CPH0-4*out<0) return 0; else return out;float rOut; / PID Respon

43、se (Output)float rIn; / PID Feedback (Input)void PID_SET(void) sPID.Proportion =0.325; / Set PID Coefficients sPID.Integral =0; sPID.Derivative =0.117;void pid() sPID.SetPoint = change_ang; / Set PID Setpoint if(abs(change_ang-Roll)>0&&detal=0) rIn =Roll; / Read Input rOut = PIDCalc (rIn)

44、; / Perform PID Interation PCA0CPH0=PCA0CPH0-4*rOut; else PCA0CPH0=PCA0CPH0;4.5 軟件設(shè)計(jì)流程圖4.5.1 PWM波產(chǎn)生流程圖NNYY開(kāi)始設(shè)置初始占空比開(kāi)啟總中斷設(shè)置要取占空比的值計(jì)數(shù)是否數(shù)到PID設(shè)置值是否數(shù)到按鍵設(shè)置值產(chǎn)生PWM波圖4-6 PWM波產(chǎn)生流程圖4.5.2 按鍵處理流程圖 NYYNYN開(kāi)始按鍵設(shè)置是否確認(rèn)按鍵設(shè)定PWM調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速是否|設(shè)定角-實(shí)際角|<=2°設(shè)定角度自動(dòng)調(diào)整PWM調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速PID控制是否|設(shè)定角-實(shí)際角|<=2°按鍵結(jié)束圖4-7 按鍵處理流程4.5.

45、3 顯示模塊流程圖YN開(kāi)始初始化LCD1602寫(xiě)入數(shù)據(jù)顯示的起始地址寫(xiě)入顯示的數(shù)據(jù)代碼液晶顯示是否忙執(zhí)行顯示圖4-8 顯示模塊流程4.5.4 聲光提示流程圖YN開(kāi) 始PWM波控制風(fēng)力帆板轉(zhuǎn)角是否|設(shè)定角-實(shí)際角|<=4°蜂鳴器響LED亮圖4-9 聲光提示流程圖4.5.5 系統(tǒng)總流程圖YNYN開(kāi) 始I/O初始設(shè)置液晶屏初始設(shè)置是否自動(dòng)控制顯示基本畫(huà)面是否輸入值按鍵掃描輸入角度讀取角度值進(jìn)行PID算法輸出PWM波結(jié)束圖4-10 系統(tǒng)總流程圖5 系統(tǒng)的調(diào)試及分析5.1 測(cè)試儀器萬(wàn)用表、秒表、直流電源、示波器、量角器、尺。5.2 帆板控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行測(cè)試5.2.1 角度傳感器采集的角

46、度顯示測(cè)試 用手?jǐn)[動(dòng)帆板，同時(shí)目測(cè)量角器讀出實(shí)際的帆板轉(zhuǎn)角，與液晶屏上的顯示值（系統(tǒng)測(cè)量值）進(jìn)行比較，測(cè)量數(shù)據(jù)如表5-1所示，帆板與風(fēng)扇的距離d=10cm。表5-1 角度測(cè)量數(shù)據(jù)表（單位：度）量角器值05102030405060測(cè)量值第1組06122030404958測(cè)量值第2組051019303949575.2.2 手動(dòng)控制風(fēng)扇速度測(cè)試通過(guò)鍵盤(pán)選擇PWM模式，然后進(jìn)行按鍵輸入加或減，改變PWM脈寬占空比大小，使帆板轉(zhuǎn)角穩(wěn)定在 45°±5°范圍內(nèi)，帆板與風(fēng)扇距離d=10cm，測(cè)量三次。表5-2 角度值的比較數(shù)據(jù)表組數(shù)顯示角度實(shí)際角度絕對(duì)誤差5s內(nèi)達(dá)到要求有無(wú)聲光提

47、示143°45°-2°能有245°44°1°能有34845°3°能有5.2.3 帆板角度自動(dòng)控制測(cè)試（一）設(shè)定角度即通過(guò)鍵盤(pán)選擇角度控制模式，然后進(jìn)行按鍵輸入加或減，通過(guò)PID算法自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)力大小，使帆板轉(zhuǎn)角能夠穩(wěn)定在設(shè)置值±5°范圍內(nèi)，帆板與風(fēng)扇距離d=10cm。表5-3 角度自動(dòng)控制測(cè)試數(shù)據(jù)表（一）設(shè)定角度實(shí)時(shí)顯示角度絕對(duì)誤差能否在5s內(nèi)達(dá)到要求20°19°1°能30°32°-2°能40°41°-1°能

48、 50°51°-1°能60°62°-2°能5.2.4 帆板角度自動(dòng)控制測(cè)試（二）先按鍵設(shè)定角度值，然后通過(guò)PID自動(dòng)控制調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)力大小，帆板與風(fēng)扇的距離d=7cm15cm。（實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)d=12cm）。表5-4 角度自動(dòng)控制測(cè)試數(shù)據(jù)表（二）設(shè)定角度實(shí)時(shí)顯示角度絕對(duì)誤差能否在5s內(nèi)達(dá)到要求20°18°2°能30°31°-1°能40°40°0°能50°49°1°能60°60°0°

49、;能通過(guò)以上數(shù)據(jù)的測(cè)量與分析可以發(fā)現(xiàn)，完成時(shí)間和誤差均滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。 6 結(jié) 論本文詳細(xì)介紹了如何通過(guò)8位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)帆板控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并從軟件和硬 件 兩方面闡述了該系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方案和基本過(guò)程。經(jīng)過(guò)三個(gè)多月的調(diào)研、學(xué)習(xí)、分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)完成了以下的功能：1 實(shí)現(xiàn)了帆板轉(zhuǎn)角及風(fēng)速值在LCD1602液晶屏上的實(shí)時(shí)顯示；2. 通過(guò)I²C通信方式使ADXL345實(shí)時(shí)采集帆板當(dāng)前角度并通過(guò)單片機(jī)處理輸出，分辨力小于2°；3. 可以通過(guò)串口調(diào)試助手采集系統(tǒng)的PWM輸出值與帆板轉(zhuǎn)角；4. 當(dāng)帆板轉(zhuǎn)角達(dá)到預(yù)設(shè)角度時(shí)，系統(tǒng)能進(jìn)行聲光提示，范圍在預(yù)設(shè)角度的±5

50、6;；5. 通過(guò)4個(gè)按鍵能設(shè)置風(fēng)速及角度；6. 運(yùn)用PID算法使帆板能在5秒內(nèi)達(dá)到所設(shè)定的角度并平穩(wěn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)帆板的自動(dòng)控制。在此次帆板控制系統(tǒng)的制作中，嚴(yán)格按照課題所要求的每一項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，始終關(guān)注系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，完成了任務(wù)規(guī)定的基本部分和發(fā)揮部分的各項(xiàng)要求，基本達(dá)到了發(fā)揮部分的各項(xiàng)性能指標(biāo)。而且本系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)構(gòu)架合理，電路性能穩(wěn)定、優(yōu)良，系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)理想，較好達(dá)到課題要求的各 項(xiàng)指 標(biāo)。系統(tǒng)仍需完善之處：實(shí)際操作中當(dāng)帆板吹到一定角度穩(wěn)定后，若此時(shí)使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為0，則帆板無(wú)法回到垂直位置，有一定的偏差。產(chǎn)生該狀況的可能因素有平臺(tái)本身轉(zhuǎn)軸可能存在摩擦，角度傳感器與C8051F410最小系統(tǒng)板

51、之間的連線(xiàn)以及帆板質(zhì)量問(wèn)題。經(jīng)多次試驗(yàn)，包括從最初的松螺絲連桿作為轉(zhuǎn)軸，到后來(lái)用軸承進(jìn)行連接，該情況無(wú)改善；角度傳感器未連線(xiàn)，則偏轉(zhuǎn)角度在5°內(nèi)；當(dāng)帆板偏下部位加載重物后，偏轉(zhuǎn)角度在3°范圍內(nèi)。所以綜上情況的研究及分析，可以知道，有部分原因是泡沫板質(zhì)量過(guò)輕使其重心偏上但主要是由于角度傳感器與C8051F410最小系統(tǒng)板之間的連線(xiàn)使帆板無(wú)法回到垂直位置。經(jīng)改進(jìn)可以使帆板歸零偏置角度小于5°，但卻無(wú)法消除，也成為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一大遺憾。致謝衷心感謝我的導(dǎo)師楊衛(wèi)波先生在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)和論文寫(xiě)作過(guò)程中對(duì)我的悉心指導(dǎo)。楊老師的耐心指導(dǎo)和支持是我不斷解決問(wèn)題的動(dòng)力，也正是在他的督

52、促和幫助下，我才能這么順利地按時(shí)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。也正是在楊老師的指導(dǎo)下，我學(xué)會(huì)了如何結(jié)合自身能力選擇合適的畢業(yè)課題；又應(yīng)該如何去查閱文獻(xiàn)找出能為我所用的可靠資料，并依據(jù)有用信息制定出一個(gè)比較可行的設(shè)計(jì)方案；在實(shí)踐中遇到問(wèn)題時(shí)，如何找出問(wèn)題所在予以解決。非常感謝他的辛勤付出。此外還要感謝在制作過(guò) 程中曾經(jīng)幫 助過(guò)我的同 學(xué)和朋友，正因?yàn)橛兴麄儾抛屛以诿悦：屠Ь持心軌蛎┤D開(kāi)，欣然面對(duì)。最后感謝老師認(rèn)真評(píng)閱！參考文獻(xiàn)1 邱丹, 王東, 高振東.直流電機(jī)PWM閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)J. 青島大學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 15(1):10-12.2 藺鵬, 胡玫, 王宏斌. 帆板自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.蘭州工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào), 2012,19(2).3 鄭揚(yáng)冰, 薛曉. 帆板控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J. 制造業(yè)