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帆板控制系统的设计与实现

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帆板控制系统的设计与实现

for

paneI

and

of control

Design

implementation

system

郑扬冰1，薛晓z3

Xiao二3

ZHENG、，ang．bing。，XUE

(1．中国矿业大学，北京100083；2．中国地质大学，武汉430074；3．南阳理工学院。南阳473004)

摘要：该控制系统采用ATMEGAl 6为主控制器，进行数据处理并对外围器件进行控制；采用角度测量

和风扇转速控制为

两种方式来调电机转速改变风力大小，从而使帆板达到预定角度。测试成功证明，该系统提

升了电子设计大赛的精度要求，帆板角度转稳定，通过按键的控制能准确控制帆板角度，精

确度达到1。，完全实误差≤ 5。的要求。

关键词：帆板角度；风扇转速；单片机控制

设计核心，利用加速度传感器检测帆板角度变化。通过手动输入和角度设定

节

动

现

009-01

34(201 2)3(下)-oi

30-03

中国分类号：TP273

文献标识码：B

文章编号：1

Doi：1

009-01 34．201

0．396cl／J．issn．1

2．3(下)．41

0引言

2011年全国大学生电子设计大赛F组题目要

求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0，如图

1所示。

角度检测信号

图2系统硬件框图

1．1传感器测量原理

如图3所示，三轴加速度传感器A7260能够

图1帆板控制系统示意图

检测X、Y、Z三个轴向上的电位变化△V，转换

成对应的角度变化△0，参考基准电压和基准角

度，即可算出对应角度。传感器内部能自动进行

信号调理、单极滤波以及温度补偿，具有很高的

灵敏度，且功耗较低，费用低廉。

1硬件设计方案及测量原理

结合题目要求和实施的可行性，系统硬件

采用ATMEGAl6为主控制器，三轴加速度传

感器A7260测量角度，Nokia5110液晶显示，

BTS7960驱动电机风扇转动和CPU电源直流风

扇提供风力。

毒L一+5

ADo_—手_二L

采用ATMEGAl6通过实时检测与转换加速度

蚤I穗_{型蜓震Res2}

vCc3．3

模块A7260的点位变化，根据公式换算为

板角度的变化并在液晶上显示。通过4×4键盘的

设定来改变单片机发风扇的PWM值以调电机

动模块，控制电机转速进而改变风扇风力大小，

以达到改变帆板角度的目的，同时在液晶上实

对应帆

图3加速度传感器

给

节

测试中帆板角度测量原理如图4所示。

驱

加速度传感器A7260测量三轴向上的加速度

变化，在X轴方向上的重力加速度分量Ax=gsinO，

时

显示出来。系统硬件设计方案如图2所示。

当Og时基准电压1．65V，当改变为19时，电

压

收稿日期：2012-02-06

作者简介：郑扬冰(1981一)，女，河南南阳人，在读博士研究生，研究方向为检测技术与自动化装置。

|1301 第34卷第3期2012— 3(下)

万方数据

加入中断程序(一部分即可)。

3测试方案及结果

1)测试数据完整性

根据实际帆板所处的位置，用量角器测量其

所处角度，并且多次读取角度值取出现概率最大

值，并记录在表格内。

当d=10cm时，0在0．60。范围内变化结果

如表1所示。

图4帆板角度测量原理

表1帆板测试结果(基本要求部分，单位。)

变

为0．8V，改变量A=0．8V，当帆板位于某一角

度0时其电为X，故sin0=(1．65一X)／0．8，

即0=arcsin(1．65一X)／0．8为所求。

1．2风扇控制电路的设

实际值

压值

液晶显示值

误差值

计

风扇控制电路的关键在于PWM信号的产生

以及PWM信号与角度之间关系。ATmegal6内部

的T／C1有较强的匹配功能，其相频修正十分适合

电机的控制，根据题目要求只需ICRl---1024即

当d---10cm时，0稳定在45。，要求时间

10s，并有声光提示，测试结果如表2所示。

表2帆板测试结果(基本要求部分)

10位即可满足要求。根据公式：频率f=OCRlA／

圮Rl，改变PWM的占空比，即可实现改变角度

测

试次数

第一次

45。

第二次

45。

第三次

45。

第四次

45。

第五次

45。

设定值

显示值

误差值

的目的。

46。

45。

440

1。

45。

0。

同时，为使测量结果更稳定，系统采用风道

0。

设计，减小了风扇气流的散失，使风力更集中，

4．5s

5．3s

4．8s

5．8s

5．0s

时间

帆板抖动减小，保证了系统精度。

实现

声光提示

实现

2软件设计方案

软件程序设计是基于A／D数据实时准确的采

发挥部分1，当d--10cm时，键盘设定角度

在5s内达到，测结果如表3所示。

试

集，同时也要对键盘进行实时检测。由于系统需

要设定角度值，所以采用了外部中断，在设定的

过程中数据采集暂时中断。系统程序流程如图5

所示。

表3帆板测试结果(发挥部分)

设定角度

显示值

误差值

3．3

3．6

3．8

4．3

4．7

4．9

时间S

发挥部分2，距离7— 15cm改变，键盘设定角

度，要求5s内达到，测试结果表4所示。

表4帆板测试结果(发挥部分)

7cm

9cm

1lcm

13cm

15cm

距离

18。

17。

34。

45。·

45。

53。

55。

60。

58。

设定角度

显示值

误差值

350

1。

0。

2。

3．4s

4．5s

5．0s

5．8s

6．1s

时间

【下转第135页】

图5程序流程图

第34卷第3期2012— 3(下)

[1311

万方数据

务l遵止匐矽化

在灵敏度调整过程中，由于MQ．7气敏元件对单片机煤气报警器只要在软件上下点功夫，还可

不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。因

此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是

很重要的，建议用1000ppm异丁烷或200ppm一

氧化碳校准传感器。

以扩展其他传感器，如温度和湿度进行监测的传

感器。并且系统可以扩展无线发射模块，将检

测

的信息及时地发到安全控制中心，能为保护人生

和财产安全做到很好的保障。

参考文献：

3系统软件设计

该系统的软件结构主要分为：系统初始化模

块、对煤气传感器采集数的处理模块、声光报警

模块、人机交互模块等。为了便于系统的调试，

[1]孙同景．Freescale 9s12十六位单片机原理及嵌入式开发

技术[M】．机械工业出版社，2008．

[2]何道清· 张禾传感器与传感器技术[M]· 科学出版社，

[3】兰花毒，张淑英．传感器原理及应用[M】．天津：天津大学

～出岳茬：面144⋯ -15⋯ 3⋯

奎要鎏警计I三相姜望塑篓曼蹩，。黧包括串口和

定时模块。图6是本系统软件流程图。

[41周捷· 有毒可燃气体报警器原理及设计[J】．科技信息·

结束语

⋯

【5】z赵uu亮aL，a候)．国锐．单片机c语言编程与实例[M】．北京人民邮

。，。j璺兰苎验!壁重型本警兰譬望草兰竺兰碧譬

一‘。

能稳定可靠，而且实用，由于体积小成品可以很

方便的嵌入各种设备内部，设计成本廉价。基于

～三茁砬茬，。2003’．～

j矗I{出}{矗‘妇{岛I{矗‘青岛‘．魂．{矗I{＆I^盘÷每矗‘{矗‘{盘‘{矗‘j盎‘{盘I{岛‘{盘I{岛‘j出‘{矗I{毒‘{童‘

【上接第131页】

2)结果分析

4结束语

由测

快慢，测量帆板升降过程中的角度变化值时，液

晶实显示的角度值和实值有1。的误差，其中

试结果可看出，当用键盘调节风扇转速

该控制系统成功的实现了大赛的基本要求和

发挥部分题目的要求，获得了2011年全国大学生

时

际

电子设计大赛全国一等奖的好成绩。

包括读数误差、系统角度采集误差以及电压波动

造成的误差。当设定45。值后因为硬件部分采用

参考文献：

[1】童诗白，华程英．模拟电子技术基础(第四版)[M】．北京：

高等教育出版社，2009．

风道设计，所以帆板的抖动微弱，多次测量值

误

差仅为1。，并且在远小于10s内即可达到稳定，

同时发光二极管点亮，蜂鸣器发出提示音。

[2]阎石．数字电子技术基础(第五版)[M]．北京：高等教育出

版社，2009．

在测试发挥部分要求时，键盘设定0— 60。任

[3】张友德，赵志英，涂时亮．单片微型机原理、应用与实践

(第五版)【M]．上海：复旦大学出版社，2009．

意角度时，系统可以实现在5s内达到设定角度

的要求，同时可以看出当角度增大时，所需要的

【4]彭伟．单片机C语言程序设计实UII 100例[M]．北京：北京

航空航天大学出版社，2010．

时间增加，但误差仍能控制在1。以内。距离为

【5]周立功．单片机实验与实践[M】．北京：北京航空航天出

7— 15cm任意变化时，角度的设定也是任意的，由

于距离的增加，当角度变大时，所需要的时间有

时会超出题目所需要的5s以内，但系统仍能把误

差控制在20以内，精度达到要求。

版社，2004．

【6】全国大学生电子设组委会．第五届全国大学生电

计

竞

赛

子设奖作品选编(2001)[M]．北京：北京理工大

计

竞

赛

获

学出版社，2003．

[1351

第34卷第3期2012— 3(下)

万方数据

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