基于AVR单片机帆板控制系统的设计

设计任务

设计并制作一个帆板控制系统，通过对风扇转速的控制，调节风力大小，改变帆板转角θ，如图1所示。帆板形式及具体制作尺寸如图2所示。

图1 帆板控制系统示意图

图2 帆板制作尺寸图

根据题目要求，设计任务要实现风扇和帆板之间的距离在一定范围内变动时，在规定的时间内，自动调节帆板达到通过键盘设定的预置转角（下文简称：预置参数），同时对控制过程中的相关数据进行实时处理并显示。

设计思路：以AVR单片机为核心，采用闭环控制，角度传感器检测帆板的实际转动角度，单片机定时采集，与帆板预置参数进行比较，生成调控风扇电机的PWM信号；用LCD屏显示预置参数、帆板的转动角度、调节用的PWM信号及调控过程完成的时间等内容。

系统硬件设计与实现

硬件概述

系统由以下几个基本模块组成：电源模块、单片机控制模块、电机驱动模块、显示与声光报警模块、键盘模块和角度检测模块。整个系统框图如图3所示。

图3 系统框图

（1）控制模块：采用AVR单片机控制；

（2）角度检测模块：采用ADXL345角度传感器；

（3）风扇类型：采用轴流式的电吹风风扇；

（4）电机驱动方式：采用L298电机驱动芯片；

（5）显示模块：用LCD1602液晶模块进行显示；

（6）电源模块：采用LM2576开关型降压稳压芯片。

角度检测电路

角度传感器选用三轴加速度计ADXL345。其输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI(3线或4线)或I2C数字接口访问。对ADXL345的数据累计采样50次,取其平均值作为结果,这种方法成功的解决了风帆摆动不稳的难题。单片机依据该值大小与预置参数运算，最后生成调节风扇电机转速的PWM信号。

ADXL345与单片机采用I2C模式通信，电路如图4所示。角度检测电路由IC1、IC3、R15、R16组成。

图4 角度检测电路

驱动电路

电机驱动模块L298内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种为二相和四相电机配备的专用驱动器，内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动双电机。电机驱动接线电路如图5所示。

图5 电机驱动电路

在电路中，风扇电机接在L298的OUTl、OUT2输出端口上，控制电机正反转的两个输入引脚，7脚通过电阻R4接在电源上，9脚直接接地。控制风扇电机转速的PWM信号，由单片机的PD5引脚输出，通过隔离光耦IC5接在使能控制端8引脚上，L298输出的通断时间受控于PWM的变化，实现了单片机调节风扇电机的转速大小，最终控制了吹动帆板转动的风力强弱。电路中的D1~D4起续流二极管作用。

声光报警和按键电路

系统中设计了声光报警电路，见图6所示。当帆板旋转到预置参数时，由单片机控制其工作，并持续5秒钟报警。它由电阻R5、R18、发光二极管D5、三极管Q1和扬声器LS1组成。当单片机的PA5引脚输出低电平信号时，二极管发光，蜂鸣器发出声音，实现声光报警。

图6 声光报警、键盘电路

系统中的按键功能是控制风帆电机的运动和设定帆板的转角参数值。各键功能如下：

S1：起动键，点动后，电机起动；

S2：停止键，点动后，电机停止；

S3：确认键，首次操作，允许设定预置参数，再次操作，退出，并存储参数(预置参数存在单片机的EEPROM中)；

S4：加1键，点动1次，预置参数个位数值加1；

S5：加1键，点动1次，预置参数十位数值加1。

电源

LM2576开关型稳压器的效率比三端线性稳压器要高的多，有优异的线性和负载调整能力，其内部含有频率补偿器和一个固定频率振荡器，可将外部元件数目减到最少且使用方便。电源电路如图7所示。

图7 电源电路

为了解决帆板在与风机近距离且小角度转动时，其稳定性不易精确控制的难题，我们采用可自动跳变的双电源，即供给L298芯片的主电源VCC_K有9V和20V两种电压。单片机根据预置参数的大小，控制三极管Q2驱动继电器K1，自动切换两种电源的输出。

显示电路略。

系统软件设计

PWM算法设计

由于风扇与帆板之间的距离d不固定，每次风扇电机起动时，PWM先按最大值距离时预置参数对应的PWM2值给定，当控制帆板转到预置参数值后，PWM值按下列公式计算出。

PWM=PWM2-((PWM2-PWM1)/K)×(θ1-θ2)

θ1=帆板转动的实际角度值；

θ2=预置参数；

PWM1最小距离时θ2对应的PWM值(由实验获得)；

PWM2最大距离时θ2对应的PWM值(由实验获得)；

K=d+13

PWM赋值范围是0~255。

软件流程设计

角度检测单元

角度检测单元主程序流程框图见图8所示，主要包括：

（1）初始化：I2C模式通信设置、定时器中断等；

（2）采集判断：采集完成标志位有效，传感器的数据保留；

（3）数据运算：每次采集到实际角度的信息,线性化后转换成可显示的角度值；

（4）50次采集判断：是否完成了50次角度数据采集；

（5）生成偏差量：实测帆板转角与预置参数运算，生成待调节的偏差量。

图8 角度检测单元主程序流程框图

控制单元

控制单元主程序流程，主要包括初始化、起动按键判断与处理、停止按键判断与处理、报警判断与处理和设置参数判断与处理等。

（1）初始化：主要包括引脚配置初始化、相关参数初始化等；

（2）起动按键判断与处理：按键有效，执行电机起动子程序（主要工作：读出EEPROM中预置参数，由PWM信号控制电机驱动器输出，并累计控制过程的用时）；

（3）停止按键判断与处理：按键有效，执行电机停止子程序（主要工作：停止电机驱动器输出，并清零累计控制过程的时间）；

（4）报警判断与处理：帆板转到预置参数时，执行声光报警子程序（主要工作：声光报警，停止累计控制过程的用时）；

（5）设置参数判断与处理：按键有效，执行参数设定子程序（主要工作：实现帆板转动的预置参数设定，并存储保留参数值）。

测试方案与测试结果

1.测试仪器：量角器、刻度尺、示波器、温度计、数字万用表。

2.测试结果分析：经反复测试，要达到分辨力为1°、绝对误差≤3°、调整时间小于3秒、距离d在5cm~18cm 范围可变、旋转角度在0~20°之间变化时，电机供电电压应为9V；当风帆转角在21°~70°之间变化时，电机供电电压应为20V。对应的PWM数据如表1所示。

表1 PWM数据