基于STC12C60S2单片机的帆板控制系统设计

2012-10-08 00:52罗乐

重庆高教研究 2012年4期

罗乐

(成都工业学院通信工程系，四川成都 611730)

1 系统构建

本系统主要由CPU模块、A/D转换模块、角度传感器模块、直流电机驱动模块、键盘及显示模块、电源模块等部分组成，系统框图如图1所示．通过调节单片机输出PWM控制驱动电路达到调节直流电机转速的目的，直流电机的转速即为风扇的转速，风速的大小决定帆板与垂直截面的夹角大小［1］．再通过角度传感器测得帆板的实际角度，经A/D转换后与事先预置角度对比，将误差角度经PID修正，由单片机再次进行PWM波输出，控制直流电机转速使帆板角度稳定到规定的范围内．

图1 系统总体框图

2 系统硬件电路设计

2．1 CPU单元及部分外围电路

STC12C60S2单片机具有增强型的8051内核，系统稳定，可靠性强，支持宽电压输入，内带10位A/D转换器、8位PWM控制，具有很好的性价比［2］．CPU模块及外围电路如图2所示．

图2 CPU模块及外围电路

2．2 角度测量模块

系统要求采集帆板的实际角度以及帆板与垂直截面的实际距离，仅用单片机内的A/D转换器难以达到要求，故采用MAX公司的MAX1241作为外扩的A/D转换器．角度传感器具有阻尼系数小、精度高、功耗低等优点且不会影响帆板的自由移动，所以对角度的测量采用角度传感器以达到对角度的精确测量．由于角度变化范围为0～90°，故测量的最小单位计算公式为ΔR*90/(R*2^N)．其中N=12，ΔR为角度传感器的测角电阻段，R为测角传感器的整圈电阻［3］．电路如图 3 所示．

图3 角度及距离测量电路

2．3 直流电机驱动电路

L298N内含4通道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机专业驱动器，内含2个H桥的高电压大电流的全桥式驱动器，可以驱动46 V、2 A以下的电机，具有高转矩重量比、宽调速范围、高可靠性的优点［4-5］．设计电路如图4所示．

图4 直流电机驱动电路

2．4 电源电路

根据需要制作出满足系统要求的电源，实现效率最大化和系统的完备性，降低电路对外接电源的依赖，提高系统的独立性，电路如图5所示［6-7］．

图5 电源电路

3 系统软件设计

根据题目要求，涉及的软件包含对帆板转角、距离的测量，采样数据的处理，电机的控制，键盘及显示等部分．其中，键盘包含预置角度、距离的设置，电压值及输出信号类型的选择;显示部分程序采用菜单界面控制，包含有帆板角度、帆板的距离、电压值、信号类型等参数的显示［8-9］．主程序流程图如图6所示．

图6 系统主程序流程图

4 系统测试与分析

4．1 测试环境

测试方案：采用软件仿真测试→硬件测试→软硬件联调测试方式．

测试条件：经多次检查，保证仿真电路和实际硬件电路必须与系统原理图完全一致，且检查无误，实际硬件电路无虚焊、漏焊．

测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表，量角器，直尺［10］．

4．2 测试结果分析

系统在设计完成后，按照如前的条件，在不同的条件下，对系统各方面的性能进行测试，测试结果分别如表1～4所示．其中，手动转动角度值与实测角度值如表1所示;当帆板距离风源的直线距离为10 cm时，按键值、显示值、实测值如表2所示;当帆板稳定在45°时所测参数如表3所示;当帆板距离风源的直线距离为7～15 cm内，预置角度、显示角度和系统达到稳定状态时所需时间如表4所示．

根据如表1～4所示的测试数据可知，整个系统在角度设置、角度的测量和角度的控制上，误差都能控制在较小的范围内．由此表明，设计系统的系统控制精度较为理想，线性度和一致性较好，达到了预期的设计目标，能较好地实现预期的控制功能．