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【摘要】帆板控制系统以AVR单片机为核心，采用距离测量传感器计算帆板与风扇之间的距离，采用高精度角度传感器对帆板的转动角度进行实时检测，通过键盘预置帆板的转角，采用PWM信号来调控风扇的转速，改变风力的大小，实现对帆板转角的精确控制。
【关键词】角度传感器；距离测量传感器；PWM信号；帆板控制
一、设计任务
1.赛题要求
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θ，如图1所示。帆板形式及具体制作尺寸如图2所示。
2.技术要求和指标
（1）用手转动帆板时，能够数字显示帆板的转角θ。显示范围为0—60°，分辨力为2°，绝对误差≤5°。
（2）当间距d=10cm时，通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角θ能够在0—60°范围内变化，并要求实时显示θ。
（3）当间距d=10cm时，通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角θ稳定在
45°±5°范围内。要求控制过程在10秒内完成，实时显示θ，并由声光提示，以便进行测试。
二、系统基本方案
根据题目要求，设计思想是：采用距离测量传感器计算帆板与风扇之间的距离d，采用高精度角度传感器实时检测帆板的转角，用单片机来处理数据，并与预置帆板的转角（下文简称预置参数）进行比较运算，生成PWM控制信号，传送给电机驱动芯片，控制电机调节风扇的转速。用键盘和显示模块作为人机界面，实现手动输入和实时显示等功能。
系统由八个单元构成，分别是角度检测、距离检测、按键、电源、单片机、显示、声光报警和电机驱动，结构见图3。
1.系统硬件设计与实现
（1）AVR单片机
单片机选用ATmega16，其在系统中主要完成如下功能：
1）采集测距传感器、角度传感器的数据，并处理与补偿；
2）生成调节电机转速的PWM信号；
3）控制显示电路，实现字符、数据显示和报警；
4）键盘信息读取，实现预置参数设定、存储，控制过程程序的起动和停止。
（2）显示电路
显示选用LCD1602液晶模块，在系统中，LCD屏显示的内容是：预置参数、帆板的实时转动角度、控制过程完成的时间和调节电机速度用的PWM信号值。
显示电路由芯片IC1、IC7和电阻R5组成，电路见图4。
电路图中的C6、C7和8MHZ晶振构成单片机的时钟电路，R2、C8是上电复位电路，按键S1是手动复位。
（3）距离检测电路
风扇与帆板之间距离检测，采用GP2D120XJ00F测距传感器。其测距范围为4～30cm，10位AD采样，能达到±0.2cm内的误差。
GP2D120XJ00F传感器固定在风扇壳体上，在每次生成PWM信号之前，单片机都采集风扇与帆板间的距离d数据。
距离检测电路由芯片IC1、IC5组成，电路见图5。
（4）角度检测电路
角度传感器选用ADXL345。其输出数据为16位二进制补码格式，通过I2C数字接口访问。
ADXL345固定安装在帆板转轴上，它随帆板同步转动，单片机实时采集传感器中的角度数据，经运算处理补偿后转换成角度值，并在LCD屏上显示数据。采用累计10次采样结果、再取其数据的平均值。
角度检测电路由IC1、IC8、R6、R7组成，电路见图6。
（5）电机驱动电路
风扇电机选用航模电机RS—380SH— 4045，其电压7.5V，电流0.4A。
电机驱动选用L293模块，电机驱动接线电路见图7，风扇电机接在L293的2Y、1Y输出端口上，单片机的PD5引脚输出控制风扇电机转速的PWM信号，L293输出的通断时间受控于PWM的变化，实现了调节风扇电机的转速大小，最终控制了吹动帆板转动的风力强弱。
（6）电源、按键和声光报警电路略
2.系统软件设计
（1）PWM算法设计
每次风扇电机起动时，PWM先按距离d时，θ=70°对应的PWM2值给定，当帆板转到预置参数值后，控制帆板绝对误差≤3°，维稳控制的PWM值按下列公式计算出。
PWM=PWM1+（PWM2—PWM1）/69*（2θ—θ1）
θ1=帆板转动的实际角度值；
θ=预置参数，赋值范围是0—70O；
PWM1距离d时，θ=1O对应的PWM值（以厘米为单位，由实验获得）；
PWM2距离d时，θ=70O对应的PWM值（以厘米为单位，由实验获得）；
PWM赋值范围是0—255。
（2）软件流程设计
软件采用模块化程序设计方法构建，以主程序为核心。
主程序流程框图见图10，主要包括初始化、距离检测、角度检测、起动按键判断与处理、停止按键判断与处理、报警判断与处理和设置参数判断与处理等。
1）距离、角度检测
距离与角度检测，程序流程框图见图11，主要包括初始化、采集判断、数据处理、累计判断、检测距离、生成PWM信号等。
初始化阶段主要进行引脚功能初始化、相关变量参数初始化、AD转换初始化、I2C通信模式设置和定时器中断等；角度采集过程中先查角度采集标志位内容，传感器的数据采集是在中断服务子程序中完成，每次完成都给采集标志位置1；如果角度采集完成，就将采集标志位清零，对每次采集到的数字量进行数据处理，查表补偿后变成能反映实际角度的度数值，备显示角度值用，并累计；累计的角度值达到了10次后，检测当前风扇与帆板之间的距离；将累计10次角度采样值取平均，再进行线性补偿后，与距离值和预置参数运算，生成最终调节风扇电机转速的PWM信号。
2）中断服务子程序
在软件中还有2个中断服务子程序：定时器1中断和定时器2中断（程序流程框图略）。定时器1中断服务程序：主要工作，实现LCD屏各种字符、数据显示和产生用于累计控制过程的用时计时时钟。定时器2中断服务程序：主要工作，实现采集角度传感器数据，并设置每次完成采集数据的标志位。
三、结论
本设计特色：在能实现基本要求的基础上，增加了多项发挥。
（1）预置参数存储在AVR的EEPROM中，具有掉电记忆功能；
（2）LCD屏显示稳定过程时间；
（3）实现控制过程完成时间小于3秒；
（4）有效距离在原来基础上扩展为5— 18cm；
（5）测试角度，在原要求基础上增加到70°；
（6）分辨力提高到1°，绝对误差≤3°；
（7）风扇与帆板之间距离可检测，成功解决了帆板近距离、小角度转动稳定性不易控制的难关。
参考文献
[1]马英庆，程福.足球机器人底层自动控制系统硬件[J].现代电子技术[J].2007，7.
[2]鲍光海.电动车跷跷板控制系统[J].电子制作，2008，l.
作者简介：
贾函龙（1988—），男，辽宁人，大学本科，辽宁机电职业技术学院实验师，研究方向：自动化技术。
马英庆（1965—），男，辽宁人，大学本科，学士，辽宁机电职业技术学院教授，研究方向：机电一体化技术。
【关键词】角度传感器；距离测量传感器；PWM信号；帆板控制
一、设计任务
1.赛题要求
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θ，如图1所示。帆板形式及具体制作尺寸如图2所示。
2.技术要求和指标
（1）用手转动帆板时，能够数字显示帆板的转角θ。显示范围为0—60°，分辨力为2°，绝对误差≤5°。
（2）当间距d=10cm时，通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角θ能够在0—60°范围内变化，并要求实时显示θ。
（3）当间距d=10cm时，通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角θ稳定在
45°±5°范围内。要求控制过程在10秒内完成，实时显示θ，并由声光提示，以便进行测试。
二、系统基本方案
根据题目要求，设计思想是：采用距离测量传感器计算帆板与风扇之间的距离d，采用高精度角度传感器实时检测帆板的转角，用单片机来处理数据，并与预置帆板的转角（下文简称预置参数）进行比较运算，生成PWM控制信号，传送给电机驱动芯片，控制电机调节风扇的转速。用键盘和显示模块作为人机界面，实现手动输入和实时显示等功能。
系统由八个单元构成，分别是角度检测、距离检测、按键、电源、单片机、显示、声光报警和电机驱动，结构见图3。
1.系统硬件设计与实现
（1）AVR单片机
单片机选用ATmega16，其在系统中主要完成如下功能：
1）采集测距传感器、角度传感器的数据，并处理与补偿；
2）生成调节电机转速的PWM信号；
3）控制显示电路，实现字符、数据显示和报警；
4）键盘信息读取，实现预置参数设定、存储，控制过程程序的起动和停止。
（2）显示电路
显示选用LCD1602液晶模块，在系统中，LCD屏显示的内容是：预置参数、帆板的实时转动角度、控制过程完成的时间和调节电机速度用的PWM信号值。
显示电路由芯片IC1、IC7和电阻R5组成，电路见图4。
电路图中的C6、C7和8MHZ晶振构成单片机的时钟电路，R2、C8是上电复位电路，按键S1是手动复位。
（3）距离检测电路
风扇与帆板之间距离检测，采用GP2D120XJ00F测距传感器。其测距范围为4～30cm，10位AD采样，能达到±0.2cm内的误差。
GP2D120XJ00F传感器固定在风扇壳体上，在每次生成PWM信号之前，单片机都采集风扇与帆板间的距离d数据。
距离检测电路由芯片IC1、IC5组成，电路见图5。
（4）角度检测电路
角度传感器选用ADXL345。其输出数据为16位二进制补码格式，通过I2C数字接口访问。
ADXL345固定安装在帆板转轴上，它随帆板同步转动，单片机实时采集传感器中的角度数据，经运算处理补偿后转换成角度值，并在LCD屏上显示数据。采用累计10次采样结果、再取其数据的平均值。
角度检测电路由IC1、IC8、R6、R7组成，电路见图6。
（5）电机驱动电路
风扇电机选用航模电机RS—380SH— 4045，其电压7.5V，电流0.4A。
电机驱动选用L293模块，电机驱动接线电路见图7，风扇电机接在L293的2Y、1Y输出端口上，单片机的PD5引脚输出控制风扇电机转速的PWM信号，L293输出的通断时间受控于PWM的变化，实现了调节风扇电机的转速大小，最终控制了吹动帆板转动的风力强弱。
（6）电源、按键和声光报警电路略
2.系统软件设计
（1）PWM算法设计
每次风扇电机起动时，PWM先按距离d时，θ=70°对应的PWM2值给定，当帆板转到预置参数值后，控制帆板绝对误差≤3°，维稳控制的PWM值按下列公式计算出。
PWM=PWM1+（PWM2—PWM1）/69*（2θ—θ1）
θ1=帆板转动的实际角度值；
θ=预置参数，赋值范围是0—70O；
PWM1距离d时，θ=1O对应的PWM值（以厘米为单位，由实验获得）；
PWM2距离d时，θ=70O对应的PWM值（以厘米为单位，由实验获得）；
PWM赋值范围是0—255。
（2）软件流程设计
软件采用模块化程序设计方法构建，以主程序为核心。
主程序流程框图见图10，主要包括初始化、距离检测、角度检测、起动按键判断与处理、停止按键判断与处理、报警判断与处理和设置参数判断与处理等。
1）距离、角度检测
距离与角度检测，程序流程框图见图11，主要包括初始化、采集判断、数据处理、累计判断、检测距离、生成PWM信号等。
初始化阶段主要进行引脚功能初始化、相关变量参数初始化、AD转换初始化、I2C通信模式设置和定时器中断等；角度采集过程中先查角度采集标志位内容，传感器的数据采集是在中断服务子程序中完成，每次完成都给采集标志位置1；如果角度采集完成，就将采集标志位清零，对每次采集到的数字量进行数据处理，查表补偿后变成能反映实际角度的度数值，备显示角度值用，并累计；累计的角度值达到了10次后，检测当前风扇与帆板之间的距离；将累计10次角度采样值取平均，再进行线性补偿后，与距离值和预置参数运算，生成最终调节风扇电机转速的PWM信号。
2）中断服务子程序
在软件中还有2个中断服务子程序：定时器1中断和定时器2中断（程序流程框图略）。定时器1中断服务程序：主要工作，实现LCD屏各种字符、数据显示和产生用于累计控制过程的用时计时时钟。定时器2中断服务程序：主要工作，实现采集角度传感器数据，并设置每次完成采集数据的标志位。
三、结论
本设计特色：在能实现基本要求的基础上，增加了多项发挥。
（1）预置参数存储在AVR的EEPROM中，具有掉电记忆功能；
（2）LCD屏显示稳定过程时间；
（3）实现控制过程完成时间小于3秒；
（4）有效距离在原来基础上扩展为5— 18cm；
（5）测试角度，在原要求基础上增加到70°；
（6）分辨力提高到1°，绝对误差≤3°；
（7）风扇与帆板之间距离可检测，成功解决了帆板近距离、小角度转动稳定性不易控制的难关。
参考文献
[1]马英庆，程福.足球机器人底层自动控制系统硬件[J].现代电子技术[J].2007，7.
[2]鲍光海.电动车跷跷板控制系统[J].电子制作，2008，l.
作者简介：
贾函龙（1988—），男，辽宁人，大学本科，辽宁机电职业技术学院实验师，研究方向：自动化技术。
马英庆（1965—），男，辽宁人，大学本科，学士，辽宁机电职业技术学院教授，研究方向：机电一体化技术。