帆板设计报告.docx

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帆板设计报告

摘要

在本设计方案中，帆板控制是以Atmel公司的ATmage16L单片机为控制核心，由直流电机及驱动模块、角度检测模块以及电源电路等部分组成。

该系统由直流电机控制风扇，角度传感器用于风帆偏转角度的捕捉，并具有声光提示等功能。

程序设计采用C语言编程的方式，在RoboExp3.3软件编译环境中实现并通过下载线下载到ATmage16L单片机上。

该系统可以实现设计要求中列出的全部指标。

关键词：

ATmage16L单片机直流风扇角度传感器

一、系统设计

1.1设计任务

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Φ（见图1）所示。

图1帆板控制系统示意图

1.1.1基本要求

（1）有手转动帆板时，能够数字显示帆板的转角Φ。

显示范围为0—600，分辨力为20，绝对误差≤50。

（2）当间距d=10cm时，通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角Φ能够在0—600范围内变化，并要求实时显示Φ。

（3）当间距d=10cm时，通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角Φ稳定在450±50范围内。

要求控制过程在10秒内完成，实时显示Φ，并由声光提示，以便进行测试。

1.1.2发挥部分

（1）当间距d=10cm时，通过键盘设定帆板转角，其范围为0—600。

要求在5秒内达到设定值，并实时显示Φ。

最大误差的绝对值不超过50。

（2）间距d在7—15cm范围内任意选择，通过键盘设定帆板转角，范围为0—600。

要求Φ在5秒内达到设定值，并实时显示Φ。

最大误差的绝对值不超过50。

（3）其他。

1.2系统总体设计

1.2.1总体方案的描述

据对题目要求的分析，得到初步的思路，系统总体框图（见图2）所示：

图2系统总体方案框图

总体方案的描述：

设计的思路就是先由角度传感器测出转轴的角度，判断此角度是不是在一定的范围之内，然后按照系统要求控制帆板转动，使转轴的转角在一定的范围内变化，同时显示系统会显示转角度数。

1.2.2各模块系统电路的比较与选择

（1）角度传感器模块的比较与选择

方案1：

角度传感器KMZ41与信号调理芯片UZZ9001组成的角度采集模块。

KMZ41与信号调理芯片UZZ9001一起能够对180°范围内的角度信号进行测量,并利用SPI方式提供11位的角度信号输出。

电路图（见图3）所示。

图3角度传感器KMZ41与信号调理芯片UZZ9001组成的角度采集模块图

方案2：

采用WDD35D-4角度传感器，独立线性度达到0.1%，机械转角可达3600，理论电旋转角为3450，最大偏差为0.3450。

旋转角度传感器转轴时，其电阻值随之改变，当转轴转到3600后，电阻值与旋转前的相等。

因此可通过读取电阻值的大小来计算旋转的角度，也可以利用ADC采样将电阻值转换为电压值来判断旋转角度。

对比之下，角度传感器KMZ41与信号调理芯片UZZ9001组成的角度采集模块结构电路较为复杂。

而WDD35D-4角度传感器仅需要一个就可以完成角度传感器KMZ41与信号调理芯片UZZ9001组成的角度采集模块才能完成的任务。

所以选择方案二，采用WDD35D-4角度传感器检测转角。

（2）控制器模块比较与选择

方案1：

采用可编程逻辑期间CPLD作为控制器。

CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。

采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。

但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。

且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。

方案2：

采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。

处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。

但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。

本系统主要是进行转角检测以及电机的控制。

如果单纯的使用凌阳单片机，容易出现不稳定的情况。

从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，我们放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。

方案3：

采用Atmel公司的ATmaga16L单片机作为主控制器。

ATmega16L是一个低功耗，高性能的8位单片机，片内含16K空间的可反复擦些100,000次的Flash只读存储器，具有1Kbytes的随机存取数据存储器（SRAM），32个IO口，2个8位可编程定时计数器，1个16位可编程定时计数器，四通道PWM，内置8路10位ADC。

且mega系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。

从方便使用的角度考虑，我们选择了方案3。

（3）转速控制模块的比较与选择

方案1：

采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。

L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。

用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。

方案2：

对于直流电机用分立元件构成驱动电路。

由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。

但是这种电路工作性能不够稳定。

因此我们选用了方案1。

1.2.3系统总体方案的确定

经过反复论证，我们最终确定了如下原理图（见图4）：

（1）采用ATmage16L单片机作为主控制器。

（2）用开关电源提供12V电压直接驱动直流电机，同时将12V电压经7805降压、稳压后为单片机系统和其他部分供电。

（3）L298N作为直流电机的驱动芯片。

（4）用WDD35D-4角度传感器进行角度检测。

图4帆板系统控制原理图

二、单元电路设计

2.1、微控制器模块的设计

采用Atmel公司的ATmaga16L单片机，不用烧写器而只用串口或者并口就可以往单片机中下载程序。

在准备过程中一直使用机器人快车的小车控制系统进行调试，机器人快车的开发软件对ATmaga16L单片机的硬件进行了封装，只需要调用相应的函数就能实现相应的功能。

因此在本次设计过程中我们直接采用机器人快车的开发板，对底层函数进行了一定的修改，在实现系统要求的功能时程序编写就很方便。

2.2、角度传感器检测模块的设计

角度传感器WDD35D4应用时可以等效为一个电位器（见图5），电位器的一端（引脚1）连接到电源电压VCC，另一端（引脚2）接地，引脚3（可调端）输出一个与旋转角度有关的电压。

在与ATmaga16L微控制器连接使用时，可以使用其自带的10位ADC采样来判断旋转角度，当角度传感器从00—3450变化时，引脚3端的电压从0V—VCC线性变化。

系统工作时，首先测出帆板处在起始位置（00）时的AD转换值X，然后旋转帆板到任意位置，通过A/D采样读取该点处的AD转换值Y，就可以通过公式2.2.1计算出该点实际角度：

Φ=（Y-X）/1024*3450（2.2.1）

3连接AD通道

2接地GND1接VCC

图5WDD35D4角度传感器应用示意图

2.3、转速控制电路模块设计

电机驱动比较常用的方式是H桥驱动，电路得名于“H桥式驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。

4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠。

要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。

直接H桥电路（见图6）由四个两组三极管组成，任一状态下由两个三极管构成通路，三极管起到开关作用。

其优点是方便取材，成本低；比较实用；缺点是集成度不高，缺少对电机的保护。

除了用分立元件驱动以外，还可以采用专用驱动芯片L298N作为电机驱动芯片（见图7）。

L298N是一个能承受高压大电流的全桥型直流、步进电压驱动芯片，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。

其引脚功能如表1所示。

用该芯片驱动电机，操作方便，稳定性好，性能优良。

因此，考虑到系统的工作及控制需要，我们选用专用芯片L298N作为电机驱动芯片，由L298N构成的电机驱动电路如图7所示。

图6H桥电路

图7电机驱动电路

表1L298N引脚编号与功能

引脚编号

名称

功能

1

电流传感器A

在该引脚和地之间接小阻值可用来检测电流

2

输出引脚1

内置驱动器A的输出端1，接至电机A

3

输出引脚2

内置驱动器A的输出端2，接至电机A

4

电机电源端

电机供电输入端

5

输入引脚1

内置驱动器A的逻辑控制输入端1

6

使能端A

内置驱动器A的使能端

7

输入引脚2

内置驱动器A的逻辑控制输入端2

8

逻辑地

逻辑地

9

逻辑电源端

逻辑控制电路的电源输入端

10

输入引脚3

内置驱动器B的逻辑控制输入端1

11

使能端B

内置驱动器B的使能端

12

输入引脚4

内置驱动器B的逻辑控制输入端2

13

输出引脚3

内置驱动器B的输出端1，接至电机B

14

输出引脚4

内置驱动器B的输出端2，接至电机B

15

电流传感器B

在该引脚和地之间接小阻值可用来检测电流

2.4、风扇控制电路的设计

风扇转速的控制实际就是直流电机转速的控制。

直流电机的转速公式2.4.1为：

n=（Ua-IR）/CeΦ（2.4.1）

其中I为电枢电流，R为电机电枢绕组电阻

Ce为电机常数，Φ为电机气隙磁通

n=Ea/Ce（2.4.2）

由公式2.4.2可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由电枢电压Ea决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0V时，电机就停止转动；改变电枢电压的极性，电机就反转。

总之电机的调速可以通过控制电枢电压实现。

对于直流电机调速系统，使用单片机进行调速是极为方便的。

常采用的方法是脉冲宽度调制（PWM），所谓脉冲宽度调制是指用改变电机电枢电压接通与断开的时间的占空比来控制电机转速的方法，其方法是通过改变电机电枢电压导通时间与通电时间的比值（即占空比）来控制电机速度。

PWM调速原理（见图8）所示。

图8PWM调速原理

在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。

只要按一定规律改变通、断电时间，即可让电机转速得到控制。

设电机永远接通电源时，其转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为：

Vd=Vmax.D（2.4.3）

式中，Vd——电机的平均速度

Vmax——电机全通时的速度（最大）

D=t1/T——占空比

平均速度Vd与占空比D的函数曲线（见图9）所示。

图9平均速度和占空比的关系

由图9可以看出，Vd与占空比D并不是完全线性关系（图中实线），理想情况下，可以将其近似地看成线性关系（图中虚线）。

因此也就可以看成电机电枢电压Ua与占空比D成正比，改变占空比的大小即可控制电机的速度。

由以上叙述可知：

电机的转速与电机电枢电压成比例，而电机电枢电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占空比α＝1时，电机转速最大，因此本系统对风扇转速的控制采用PWM方式。

2.5、电源及输入输出模块的设计

（1）电源设计：

采用12V开关电源供电，将12V电压经过7805的降压、稳压后给单片机系统和其他模块供电（见图10），电路结构简单，电压稳定，避免了使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便。

（2）数字显示设计：

用4位段式LCD液晶进行显示，LCD由于其显示清晰，显示内容丰富、清晰，显示信息量大，使用方便，显示快速而得到了广泛的应用。

对于此系统我们选用LCD的液晶显示器。

（3）按键设计：

根据系统的功能需要，设计三个独立的按键完成系统功能调试的要求（见图11），设计简单，容易控制。

（4）声光提示电路设计：

采用发光二极管和蜂鸣器，由控制系统控制二极管发光与蜂鸣器发出声音（见图12）。

图10电路电路图11按键电路图12声光提示电路

2.6、程序选择模块的设计

根据设计任务要求，设计了5个系统功能子程序，在调用程序的时候，通过程序选择模块进行选择（见表2）。

表2程序选择器取值与实现功能对应表

程序选择器取值

实现功能

0000

基本要求1

0001

基本要求2

0010

基本要求3

0011

发挥要求1

0100

发挥要求2

三、软件设计

我们选用的是mega16L的开发板，提供了配套的编译软件，即“机器人快车”（RoboExp3.3）软件。

机器人快车是即可以进行图形化编程，又可以进行软件编程的开发环境（见图13），比传统的文本编程更加高级，体现在它的易用性、易读性，非常适合于培养我们的编程思维。

机器人快车采用的是基于工程的图形化、模块化编程语言，全部功能模块都用图标表示，遵循自顶向下的编程逻辑思维过程。

我们只需要简单地拖放相应的功能模块图标，绘制出流程图，机器人快车就能自动生成可视化C语言源代码，帮助我们轻松完成编程，快速掌握机器人的操作。

图13软件编程的开发环境

机器人快车里面除了提供很多封装好的模块，我们还可以根据自己的需要定义自己的功能模块。

我们在使用机器人快车编程时，文本源代码同步生成，并且保留了传统的文本编程功能，他更加方便我们对程序的检查、调试，也为我们进阶深入学习提供了一个较好的途径。

3.1软件设计和硬件设计的关系

硬件设计和软件设计是电子设计中必不可少的内容，为了满足设计的功能和指标的要求，我们必须在开始设计时考虑到硬件和软件的协调；不然不是造成硬件资源的浪费，就是增加软件实现时困难和复杂程度，甚至造成信号的断层，即使硬件和软件能单独使用，却不能使他们组成的系统工作。

故在设计的过程中必须考虑软硬件的处理能力以及它们的接口是否兼容，实现软硬件的信号过渡。

其次设计时硬件之间应尽可能减少联系，只要把必要的信号线相连即可。

这样做的优点是：

首先，调试时可以减少很多不必要的麻烦，因为电路是相对独立的，故在调整电路参数数值时其影响和干扰就小；再则者，当出现问题时检查电路就容易缩小问题的范围，使得排错效率高。

由于硬件的分离，在软件的调试时就可以单独针对控制模块。

3.2软件的主程序流程图

图13主程序流程图

3.3基本功能流程图

图14基本功能1流程图图15基本功能2流程图

图16基本功能3流程图图17发挥部分1、2流程图

四、系统功能测试

4.1测试仪器及设备

量角器

万用表

支架

秒表

4.2测试结果

数值

转速

第一次

第二次

第三次

显示数值（度）

实际数值（度）

显示数值（度）

实际数值（度）

显示数值（度）

实际数值（度）

10

1

0

1

0

1

1

20

10

10

6

7

5

5

30

25

24

25

24

22

23

40

36

34

32

31

30

31

50

42

41

42

41

41

41

60

48

47

46

45

48

47

70

53

53

55

55

52

53

80

59

58

57

56

56

56

90

62

61

61

60

60

61

100

65

66

63

62

64

65

4.3结果分析

在测试过程中，发现在偏转角度较低的时候，液晶显示的数值与实际数值的误差很小，随着偏转角度的增大，液晶显示的数值与实际数值的误差偏大，分析其原因是有方面的，帆板的转轴与角度传感器的轴心有偏差，转轴转动时存在一定的摩擦。

因此在软件中做了一定的修正，测试结果表明误差补偿的效果明显，测试精度大大提高。

同时在偏转角度较低的时候，由于力矩较小，翻转角度在调节时偏差较大，

在偏转角度较大的时候，由于力矩较大，翻转角度在调节时偏差较小，在软件编程时还需要考虑不同偏转角度时的速度调节，由于时间仓促，不能够在软件中控制的很好，还需要对程序进行进一步的调整。

五、结论

本设计通过角度传感器和AVR的单片机实现对帆板偏转角度控制，测试结果表明，帆板控制系统能够很好的完成设计的基本要求和发挥部分。

同时利用RoboExp3.3软件编译环境进行编程，操作简便，大大提高了设计进度。

在设计制作和调试过程中，我们充分运用了所学的知识，锻炼了我们的动手能力。