設計任務
設計并制作一個帆板控制系統(tǒng)，通過對風扇轉速的控制，調節(jié)風力大小，改變帆板轉角θ，如圖1所示。帆板形式及具體制作尺寸如圖2所示。
圖1 帆板控制系統(tǒng)示意圖
圖2 帆板制作尺寸圖
根據題目要求，設計任務要實現風扇和帆板之間的距離在一定范圍內變動時，在規(guī)定的時間內，自動調節(jié)帆板達到通過鍵盤設定的預置轉角（下文簡稱：預置參數），同時對控制過程中的相關數據進行實時處理并顯示。
設計思路：以AVR單片機為核心，采用閉環(huán)控制，角度傳感器檢測帆板的實際轉動角度，單片機定時采集，與帆板預置參數進行比較，生成調控風扇電機的PWM信號；用LCD屏顯示預置參數、帆板的轉動角度、調節(jié)用的PWM信號及調控過程完成的時間等內容。
系統(tǒng)硬件設計與實現
硬件概述
系統(tǒng)由以下幾個基本模塊組成：電源模塊、單片機控制模塊、電機驅動模塊、顯示與聲光報警模塊、鍵盤模塊和角度檢測模塊。整個系統(tǒng)框圖如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)框圖
（1）控制模塊：采用AVR單片機控制；
（2）角度檢測模塊：采用ADXL345角度傳感器；
（3）風扇類型：采用軸流式的電吹風風扇；
（4）電機驅動方式：采用L298電機驅動芯片；
（5）顯示模塊：用LCD1602液晶模塊進行顯示；
（6）電源模塊：采用LM2576開關型降壓穩(wěn)壓芯片。
角度檢測電路
角度傳感器選用三軸加速度計ADXL345。其輸出數據為16位二進制補碼格式，可通過SPI(3線或4線)或I2C數字接口訪問。對ADXL345的數據累計采樣50次,取其平均值作為結果,這種方法成功的解決了風帆擺動不穩(wěn)的難題。單片機依據該值大小與預置參數運算，最后生成調節(jié)風扇電機轉速的PWM信號。
ADXL345與單片機采用I2C模式通信，電路如圖4所示。角度檢測電路由IC1、IC3、R15、R16組成。
圖4 角度檢測電路
驅動電路
電機驅動模塊L298內部包含4通道邏輯驅動電路，是一種為二相和四相電機配備的專用驅動器，內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動雙電機。電機驅動接線電路如圖5所示。
圖5 電機驅動電路
在電路中，風扇電機接在L298的OUTl、OUT2輸出端口上，控制電機正反轉的兩個輸入引腳，7腳通過電阻R4接在電源上，9腳直接接地。控制風扇電機轉速的PWM信號，由單片機的PD5引腳輸出，通過隔離光耦IC5接在使能控制端8引腳上，L298輸出的通斷時間受控于PWM的變化，實現了單片機調節(jié)風扇電機的轉速大小，最終控制了吹動帆板轉動的風力強弱。電路中的D1~D4起續(xù)流二極管作用。
聲光報警和按鍵電路
系統(tǒng)中設計了聲光報警電路，見圖6所示。當帆板旋轉到預置參數時，由單片機控制其工作，并持續(xù)5秒鐘報警。它由電阻R5、R18、發(fā)光二極管D5、三極管Q1和揚聲器LS1組成。當單片機的PA5引腳輸出低電平信號時，二極管發(fā)光，蜂鳴器發(fā)出聲音，實現聲光報警。
圖6 聲光報警、鍵盤電路
系統(tǒng)中的按鍵功能是控制風帆電機的運動和設定帆板的轉角參數值。各鍵功能如下：
S1：起動鍵，點動后，電機起動；
S2：停止鍵，點動后，電機停止；
S3：確認鍵，首次操作，允許設定預置參數，再次操作，退出，并存儲參數(預置參數存在單片機的EEPROM中)；
S4：加1鍵，點動1次，預置參數個位數值加1；
S5：加1鍵，點動1次，預置參數十位數值加1。
電源
LM2576開關型穩(wěn)壓器的效率比三端線性穩(wěn)壓器要高的多，有優(yōu)異的線性和負載調整能力，其內部含有頻率補償器和一個固定頻率振蕩器，可將外部元件數目減到最少且使用方便。電源電路如圖7所示。
圖7 電源電路
為了解決帆板在與風機近距離且小角度轉動時，其穩(wěn)定性不易精確控制的難題，我們采用可自動跳變的雙電源，即供給L298芯片的主電源VCC_K有9V和20V兩種電壓。單片機根據預置參數的大小，控制三極管Q2驅動繼電器K1，自動切換兩種電源的輸出。
顯示電路略。
系統(tǒng)軟件設計
PWM算法設計
由于風扇與帆板之間的距離d不固定，每次風扇電機起動時，PWM先按最大值距離時預置參數對應的PWM2值給定，當控制帆板轉到預置參數值后，PWM值按下列公式計算出。
PWM=PWM2-((PWM2-PWM1)/K)×(θ1-θ2)
θ1=帆板轉動的實際角度值；
θ2=預置參數；
PWM1最小距離時θ2對應的PWM值(由實驗獲得)；
PWM2最大距離時θ2對應的PWM值(由實驗獲得)；
K=d+13
PWM賦值范圍是0~255。
軟件流程設計
角度檢測單元
角度檢測單元主程序流程框圖見圖8所示，主要包括：
（1）初始化：I2C模式通信設置、定時器中斷等；
（2）采集判斷：采集完成標志位有效，傳感器的數據保留；
（3）數據運算：每次采集到實際角度的信息,線性化后轉換成可顯示的角度值；
（4）50次采集判斷：是否完成了50次角度數據采集；
（5）生成偏差量：實測帆板轉角與預置參數運算，生成待調節(jié)的偏差量。
圖8 角度檢測單元主程序流程框圖
控制單元
控制單元主程序流程，主要包括初始化、起動按鍵判斷與處理、停止按鍵判斷與處理、報警判斷與處理和設置參數判斷與處理等。
（1）初始化：主要包括引腳配置初始化、相關參數初始化等；
（2）起動按鍵判斷與處理：按鍵有效，執(zhí)行電機起動子程序（主要工作：讀出EEPROM中預置參數，由PWM信號控制電機驅動器輸出，并累計控制過程的用時）；
（3）停止按鍵判斷與處理：按鍵有效，執(zhí)行電機停止子程序（主要工作：停止電機驅動器輸出，并清零累計控制過程的時間）；
（4）報警判斷與處理：帆板轉到預置參數時，執(zhí)行聲光報警子程序（主要工作：聲光報警，停止累計控制過程的用時）；
（5）設置參數判斷與處理：按鍵有效，執(zhí)行參數設定子程序（主要工作：實現帆板轉動的預置參數設定，并存儲保留參數值）。
測試方案與測試結果
1.測試儀器：量角器、刻度尺、示波器、溫度計、數字萬用表。
2.測試結果分析：經反復測試，要達到分辨力為1°、絕對誤差≤3°、調整時間小于3秒、距離d在5cm~18cm 范圍可變、旋轉角度在0~20°之間變化時，電機供電電壓應為9V；當風帆轉角在21°~70°之間變化時，電機供電電壓應為20V。對應的PWM數據如表1所示。
表1 PWM數據
作者信息：遼寧機電職業(yè)技術學院
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