基于A(yíng)VR單片機帆板控制系統的設計

設計任務(wù)

設計并制作一個(gè)帆板控制系統，通過(guò)對風(fēng)扇轉速的控制，調節風(fēng)力大小，改變帆板轉角θ，如圖1所示。帆板形式及具體制作尺寸如圖2所示。

圖1 帆板控制系統示意圖

圖2 帆板制作尺寸圖

根據題目要求，設計任務(wù)要實(shí)現風(fēng)扇和帆板之間的距離在一定范圍內變動(dòng)時(shí)，在規定的時(shí)間內，自動(dòng)調節帆板達到通過(guò)鍵盤(pán)設定的預置轉角（下文簡(jiǎn)稱(chēng)：預置參數），同時(shí)對控制過(guò)程中的相關(guān)數據進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并顯示。

設計思路：以AVR單片機為核心，采用閉環(huán)控制，角度傳感器檢測帆板的實(shí)際轉動(dòng)角度，單片機定時(shí)采集，與帆板預置參數進(jìn)行比較，生成調控風(fēng)扇電機的PWM信號；用LCD屏顯示預置參數、帆板的轉動(dòng)角度、調節用的PWM信號及調控過(guò)程完成的時(shí)間等內容。

系統硬件設計與實(shí)現

硬件概述

系統由以下幾個(gè)基本模塊組成：電源模塊、單片機控制模塊、電機驅動(dòng)模塊、顯示與聲光報警模塊、鍵盤(pán)模塊和角度檢測模塊。整個(gè)系統框圖如圖3所示。

圖3 系統框圖

（1）控制模塊：采用AVR單片機控制；

（2）角度檢測模塊：采用ADXL345角度傳感器；

（3）風(fēng)扇類(lèi)型：采用軸流式的電吹風(fēng)風(fēng)扇；

（4）電機驅動(dòng)方式：采用L298電機驅動(dòng)芯片；

（5）顯示模塊：用LCD1602液晶模塊進(jìn)行顯示；

（6）電源模塊：采用LM2576開(kāi)關(guān)型降壓穩壓芯片。

角度檢測電路

角度傳感器選用三軸加速度計ADXL345。其輸出數據為16位二進(jìn)制補碼格式，可通過(guò)SPI(3線(xiàn)或4線(xiàn))或I2C數字接口訪(fǎng)問(wèn)。對ADXL345的數據累計采樣50次,取其平均值作為結果,這種方法成功的解決了風(fēng)帆擺動(dòng)不穩的難題。單片機依據該值大小與預置參數運算，最后生成調節風(fēng)扇電機轉速的PWM信號。

ADXL345與單片機采用I2C模式通信，電路如圖4所示。角度檢測電路由IC1、IC3、R15、R16組成。

圖4 角度檢測電路

驅動(dòng)電路

電機驅動(dòng)模塊L298內部包含4通道邏輯驅動(dòng)電路，是一種為二相和四相電機配備的專(zhuān)用驅動(dòng)器，內含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動(dòng)器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動(dòng)雙電機。電機驅動(dòng)接線(xiàn)電路如圖5所示。

圖5 電機驅動(dòng)電路

在電路中，風(fēng)扇電機接在L298的OUTl、OUT2輸出端口上，控制電機正反轉的兩個(gè)輸入引腳，7腳通過(guò)電阻R4接在電源上，9腳直接接地?？刂骑L(fēng)扇電機轉速的PWM信號，由單片機的PD5引腳輸出，通過(guò)隔離光耦I(lǐng)C5接在使能控制端8引腳上，L298輸出的通斷時(shí)間受控于PWM的變化，實(shí)現了單片機調節風(fēng)扇電機的轉速大小，最終控制了吹動(dòng)帆板轉動(dòng)的風(fēng)力強弱。電路中的D1~D4起續流二極管作用。

聲光報警和按鍵電路

系統中設計了聲光報警電路，見(jiàn)圖6所示。當帆板旋轉到預置參數時(shí)，由單片機控制其工作，并持續5秒鐘報警。它由電阻R5、R18、發(fā)光二極管D5、三極管Q1和揚聲器LS1組成。當單片機的PA5引腳輸出低電平信號時(shí)，二極管發(fā)光，蜂鳴器發(fā)出聲音，實(shí)現聲光報警。

圖6 聲光報警、鍵盤(pán)電路

系統中的按鍵功能是控制風(fēng)帆電機的運動(dòng)和設定帆板的轉角參數值。各鍵功能如下：

S1：起動(dòng)鍵，點(diǎn)動(dòng)后，電機起動(dòng)；

S2：停止鍵，點(diǎn)動(dòng)后，電機停止；

S3：確認鍵，首次操作，允許設定預置參數，再次操作，退出，并存儲參數(預置參數存在單片機的EEPROM中)；

S4：加1鍵，點(diǎn)動(dòng)1次，預置參數個(gè)位數值加1；

S5：加1鍵，點(diǎn)動(dòng)1次，預置參數十位數值加1。

電源

LM2576開(kāi)關(guān)型穩壓器的效率比三端線(xiàn)性穩壓器要高的多，有優(yōu)異的線(xiàn)性和負載調整能力，其內部含有頻率補償器和一個(gè)固定頻率振蕩器，可將外部元件數目減到最少且使用方便。電源電路如圖7所示。

圖7 電源電路