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1、12011 年全国大学生电子设计竞赛设计报告竞赛题号：帆板控制系统（F 题）参赛队号：远帆一队2智能帆板控制系统【摘要】： 本设计使用 STC89C52RC型单片机作为帆板控制系统的主控制器，采用编码器作为角度传感器，配以后端辨向计数处理电路，将信号送往单片机进行数据处理并实时显示，通过控制风速使得角度能够得到精确控制，设计的风机由直流电机控制，采用脉宽调制控制技术，通过改变信号的占空比调节风速，在单片机接受到了外部输入的角度信号的前提下，不断调整控制占空比控制电机转速，直到帆板达到控制的角度。同时采用超声波进行实时测距，根据测得的风机与小车的距离调整脉宽调整步距，使得电机能够迅速准确驱动帆板
2、到达制定角度。本系统能够实现从零度到 60 度的帆板角度匀速控制，并且能够准确控制帆板达到 45 度角，在此基础上实现了帆板控制系统的数字输入智能控制方式，能够通过人为设置角度后通过智能控制程序是得帆板达到要求的角度。【关键词】：帆板控制系统；脉宽调制控制；声光提示；旋转编码器辨向处理，防抖动处理电路1. 引言智能帆板控制系统的主要任务为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 。该任务既包含有测量角度的环节，还包含有对风机的速度控制，如何根据角度变化及时来控制风机的转速等问题。关键问题之一为角度信息的采集，通常情况下角度信号的采集有角度传感器，编码器，编码盘等器
3、件，其主要的原理为把整个圆周分为多个等份，到每个等分刻度时，光电信号变化，检测到光电信号后转换成对应的角度信号。关键问题之二为电机的控制，常用的小型动力电机有直流电机和步进电机，直流电机的控制相对步进电机来说比较简单，只要通过控制电机电压或者控制电机的通电时间的占空比即能实现调速，步进电机牵涉到相序和信号发送频率等问题，处理相对复杂。关键问题之三为如何准备的根据帆板的角度信号及时的控制电机风速，使电机能够稳定在指定的角度位置。关键问题之四为信息的及时显示，用来显示的器件通常有 7段数码管和液晶显示模块可以用来作为显示，液晶显示模块使用灵活，控制相对有一定难度，但是解决了关键问题后使用和修改比较
4、便利。综合上述的关键问题后，我们根据自身的技术积累，采用相关的单片机控制技术、传感器技术、电路处理技术等，设计了一套智能帆板控制系统，完成了大赛题目所有的基本功能和附加要求。341.控制系统总体方案设计图 1 帆板控制系统示意图本题目主要是任务是通过控制风机的风力吹动帆板，使其达到指定角度，并且把角度信息实时显示。其中的关键问题是如何测定帆板的转角和如何控制电机的转速来控制风机的风力。为此，我们设计了一套系统总体控制方案，如图 2所示。图.系统总体控制方案图 2所示为本系统采用的整体设计方案，帆板摆动时，光电编码器随着帆板摆动，产生两路正交的方波信号，由辨向处理电路处理后分正反向两路信号送给单
5、片机的和两路计数器进行计数，两路计数器的差值乘当量值即为角度信信息，由单片机控制液晶显示器实时显示，光电传感器为绝对零位设定使用，帆板在不动情况下光电传感器的信号为高电平，此时，送到5单片机的中断口，单片机处理中断时把两路计数器里面的数字清零，此时角度信息为零。单片机主要为电机驱动使用，单片机采集到角度信号后，由当前角度信号与实际输入角度进行比对，由角度差值，选择合适的档位，通过 P0口把信息送到单片机 2的 P0口，并通知单片机 2控制电机转动，由此循环执行，直到达到指定的角度。2. 系统理论分析与计算2.1 风扇控制系统由于直流电机非常简单容易实现调速，本控制系统风扇扇叶驱动动力源采用直流
6、电机，直流电机的调速有下面几种方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格昂贵，且可能存在干扰。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案三：采用集成芯片 L298N构成驱动电路。L298N 是双 H桥高电压大功率集成电路，可用来驱动直流电动机和步进电动机等电感性负载。此电路用单片机控制 L298N
7、芯片使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。L298N是三极管工艺的，所以导通的饱和压降比较大，1A 时大约 2-3A的压降，这种电路效率非常高；此电路内部包含 4通道逻辑驱动电路，信号特别易于处理，电路保证了可以简单地实现方向的控制；电子开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的技术。通过比较，使用 L298N芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动电机，且价格不高，故选用方案三。整个风扇控制系统采用脉宽调速技术，通过控制脉冲宽度来控制风扇的转速从而控制帆板的角度。图 3 电机控制信号占空比的不同决定了直流电机的通电时间，也决定了直流电机单位时间转过的角度，及速度，所以通过占空比的
8、控制可以准确控制风扇的风速。62.2 角度测量处理系统2.2.1 角度测量处理系统设计根据码盘形式光电编码器分为绝对式和增量式两种。绝对式码盘在任意位置都可给出与位置相对应的数字转角输出量 ,故不存在四倍频的问题。增量式码盘是根据轴所转过的角度 ,输出一系列脉冲 ,并通过计数电路 ,对脉冲进行累计计数.得到相对角位移量。由于单个绝对码盘的角位移的测量范围仅为 0 360 ,需多个码盘才能测量大于 360的角位移 ,从而提高了系统的价格和复杂程度 ,而增量式码盘转角测量范围只受计数电路的位数限制 ,结构简单 ,价格低廉 ，应用广泛，所以本系统角度测量采用编码器，角度的测量采用 200线的欧姆龙旋
9、转编码器，型号为，光电编码器是高精度控制系统常用的位移检测传感器。当控制对象发生位置变化时 ,光电编码器便会发出 A、 B 两路相位差 90 的数字脉冲信号。正转时 A 超前 B 为 90 ,反转时 B 超前 A为 90 。脉冲的个数与位移量成比例关系 ,因此 ,通过对脉冲计数就能计算出相应的位移。图 4 编码器正反转输出波形整个角度测量的方案为：图 5 角度处理系统编码器两路方波信号通过信号辨向处理电路后分为正向和反向两路送给单片机计数器，单片机计数器内的数值差代表了角度位移的大小，乘与角度当量后为角度信息，由单片机送往液晶显示器显示。72.2.2 编码器抖动信号的处理A 专用倍频细分处理芯
10、片处理抖动。对于确定的码盘，其脉冲周期 T 对应的码盘角位移固定为 ，故其量化误差为 /2。如果能够将 A 或 B 信号四倍频,则计数脉冲的周期将减小到 T/4 。量化误差下降为 /8 ,从而使光电编码器的角位移测量精度提高 4 倍。在实际电路中,可以使用专用芯片将两路正交的方波进行四倍频后产生两路加、减计数信号,送双时钟可逆计数器进行加、减计数,也可直接送单片机进行数据处理,达到更集成化的效果。该类芯片包含相关时序模块，可以处理由于抖动产生的高频杂讯。B 多级 D 触发器滤除抖动信号。多级 D 触发器滤除法是利用电路对信号的延迟和门电路的逻辑运算能力来消除振动引起的高频方波干扰脉冲, 防止误
11、计数。第一种方法需用专用的倍频芯片，不容易获得，成本也比较大，另外旋转的速度要均匀，且必须在一比较小的范围内；第二种方法只有在触发器级数大于 3 的时候滤除的效果才比较明显，而此时硬件资源开销比较大，比较适合使用于以较高速率采集数据的环境中。本次设计由于时间紧张，无法采购到专用的倍频处理芯片，所以只能采用方法二对抖动信号进行处理，对下面两种方案进行了电路设计与验证。方案一：图 6 典型辨向处理电路当光电编码器顺时针方向旋转时 ,A相信号在相位上超前 B相信号 1 /4周期。经过 D触发器后 ,Q1为高电平 ,Q2为低电平 ,于是 , C1有计数脉冲 ,可接入双向计数器的“+” 端 ,而 C2保
12、持为低电平。反之 ,当逆时针方向旋转时, C1将保持低电平 , C2形成的计数脉冲可作为双向计数器 “- ” 端的输入信号,从而完成对光电编码器输出信号的计数。方案二：8图 7 防抖动的辨向处理电路信号经过 D 触发器需要一定的时延 td,因此 ,相对于 t 时刻的信号 A ( t)、B ( t) ,第 i 级的 D 触发器的输出信号 Qi 和 将在 t + i td 时刻建立。iQ因此 ,若电路有 n级 D触发器组成 ,那么 ,将在 n td时间内 ,每隔 td产生一个信号 Qi和 ( i = 1, 2n) ,这些信号经过“ 与 ” 运算后 ,得到Q用于顺时针方向的计数信号 CW 和逆时针方
13、向的计数信号 CCW,见下式。考虑光电编码器顺时针方向旋转 ,当在 ( t, t +n td)内某一时刻 ,信号 A、 B的相位差由于振动而被破坏并产生高频干扰脉冲时 ,此干扰信号到达计数器的必要条件是 Q1 , Q2 Qn 全为“1” ,但是由于 D触发器的延迟作用 ,而使 Q1 , Q2 Qn 全为“1” 的可能性得到扼制。若按等概率事件计算 ,高频干扰信号经过 n 级 D 触发器到达计数器的概率为 1/2n 。方案三：采用高频滤波消除抖动。可以通过低通滤波器实现高频杂讯波的处理。本次设计三种方案都经过了实验验证。具体实验过程在测试章节详细介绍。93.电路与程序设计1. 总体原理图图 8
14、总体电路原理图根据总体设计方案和大赛的任务细节，我们设计了对应的电路，主要有两个单片机信号的通信处理通过 P0口交换信息，在达到 45度时控制喇叭发声的功放电路，还有就是对应的光电闪烁，用于满足基本要求中的第三项。基本的单片机系统最小板我们在比赛中通过 PCB板雕刻机自动雕刻，目前该最小系统运行良好。2.辨向处理电路图。图 910根据处理电路的需要，设计了编码器辨向处理电路图。采用的光电编码器为集电极开路的编码器，所以输出端口需要接上一个上拉电阻到电源正极，信号出来后通过光耦隔离，两路正交的编码器信号通过辨向电路后分正反转两路信号送往单片机的计数端口。3.电源模块设计 图 10方案一：所有器件
15、采用单一电源 12V（8 节 AA电池） 。这样供电比较简单；但是由于电动机启动瞬间电流很大，而且 L298驱动的电动机电流有波动，会造成电压不稳、有毛刺等干扰，严重时可能造成单片机系统掉点电，缺点十分明显。方案二：双电源供电。将电动机驱动与单片机以及其周围电路电源完全隔离。这样做虽然不如单电源方便灵活，但可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统稳定性。我们认为本设计的稳定可靠性更为重要，故拟采用方案二。编码器供电需要+12V 电源，单片机、其它元件和编码器输出信号上拉电阻端需要+5V 电源，还有就是风扇电机的驱动需要有+15V 的电源。我们采用方案二制作了电源模块。供应 12V和 5
16、V的电源，由于风机需要较大的电流，所以供电选用了开关电源+24V 通过稳压块 7815稳定到 15V输出。2程序设计思路整个设计程序模块中，单片机 1作为主控模块使用，主要负责计数 显示，11后发送控制调节信号。单片机二主要是接受控制信号并控制电机速度。程序开发流程图：单片机 1程序流程图：程序初始化读取定时器信号实时显示到液晶器功能模块开始图 11 功能处理模块中包括有定时器溢出处理，外部中断 1处理，键盘响应处理模块等。定时器不管正向还是反向都要计数，一旦溢出，可以通过定时器中断，用 65536减去另外一个定时器的计数，并且赋值给溢出的定时器。键盘输入模块处理中，一旦获得了对应需要控制的角度信息后，马上读取角度信息进行比对，然后根据比对信息调节占空比实现角度闭环控制，但是里面设置了控制次数，一旦到达控制次数，不再调节，以防止死循环。单片机 2程序流程图：单片机 2为辅助控制模块，主要是为了减轻单片机 1的控制负
