文档介绍：参赛队号:远帆一队
2011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)
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θ。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。

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片机1的T0和T1两路计数器进行计数,两路计数器的差值乘当量值即为角度信信息,由单片机1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,送到单片机的中断口1,单片机1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2主要为电机驱动使用,单片机1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
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,