尚坡利，吳寧

基于AT89C52的風(fēng)擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

尚坡利1，吳寧2

（1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系，甘肅蘭州730060；2.蘭州工業(yè)學(xué)院電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州730050）

介紹了一種基于AT89C52單片機(jī)為控制核心的風(fēng)擺控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)直流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)擺桿擺角的實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示和控制。系統(tǒng)采用SCA100T-D02角度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)擺桿轉(zhuǎn)角信號(hào)的采集，根據(jù)轉(zhuǎn)角值輸出一定占空比的PWM脈沖波，用L298N作為驅(qū)動(dòng)電路控制風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制擺桿轉(zhuǎn)角的目的，同時(shí)在徑向距離大于50cm時(shí)可用蜂鳴器報(bào)警。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，能耗低，性價(jià)比高，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置；風(fēng)擺；AT89C52

0　引言

2015年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽本科組B題以風(fēng)力擺控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，要求所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能夠做出重復(fù)自由擺運(yùn)動(dòng)，或是可根據(jù)要求設(shè)定擺動(dòng)方向，擺動(dòng)時(shí)所附加激光筆能夠畫出直線段；或是將風(fēng)力擺拉起一定角度放開，規(guī)定時(shí)間內(nèi)使風(fēng)力擺制動(dòng)達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)。本論述基于該競(jìng)賽題目提出的設(shè)計(jì)要求，給出一種簡(jiǎn)單實(shí)用、性價(jià)比高，且易于實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案。

1　總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)題目的要求，本系統(tǒng)需解決以下問(wèn)題：對(duì)風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的控制，以保證風(fēng)扇的轉(zhuǎn)角短時(shí)間穩(wěn)定在控制范圍內(nèi)；為保證系統(tǒng)的精度要求，必須要對(duì)擺桿擺動(dòng)角度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)及顯示；為保證擺桿達(dá)到預(yù)定角度還需要相應(yīng)的設(shè)定電路。根據(jù)以上要求，其控制模型框圖見圖1所示。

圖1　控制系統(tǒng)模型框圖

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為完成系統(tǒng)控制目標(biāo)，對(duì)各環(huán)節(jié)模塊進(jìn)行如下設(shè)計(jì)。

2.1控制模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)題目要求，控制器主要用于傳感器信號(hào)的接收與辨認(rèn)、控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、顯示實(shí)時(shí)角度等。有以下兩種方案：

方案一：采用FPGA作為系統(tǒng)控制器。FPGA可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高，并且可應(yīng)用EDA軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。但由于其集成度高，使其成本偏高，同時(shí)由于芯片的引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作［1］。

方案二：采用AT89C52作為系統(tǒng)控制器［2］。單片機(jī)AT89C52是一種帶8K字節(jié)內(nèi)嵌可編程閃存的低功耗高性能的八位微控制器，雙數(shù)據(jù)指針，具有3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，6個(gè)兩級(jí)中斷源結(jié)構(gòu)，以及掉電模式下的自動(dòng)保存功能，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，可以達(dá)到本系統(tǒng)的要求［3］。

基于以上分析，選擇方案二。

2.2轉(zhuǎn)角采集模塊設(shè)計(jì)

方案一：采用MMA7455L芯片。其為XYZ三軸微機(jī)電加速度計(jì)，可測(cè)量三軸方向上工作參數(shù)，輸出為8位或10位的數(shù)字量，可直接與單片機(jī)連接。硬件電路簡(jiǎn)單，但成本較高，軟件程序調(diào)試較困難［4］。

方案二：采用SCA100T-D02。SCA100T-D02測(cè)量范圍為-90°～+90°，具有模擬和數(shù)字兩路輸出。模擬量輸出電壓為0～5V，不需信號(hào)調(diào)理電路就可送入A/D，可采用模擬量輸出，后接AD0809。此方案硬件電路簡(jiǎn)單，軟件調(diào)試簡(jiǎn)單，測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定［5-6］。

基于以上分析，選擇方案二。

2.3驅(qū)動(dòng)及調(diào)速模塊設(shè)計(jì)

方案一：采用線性放大驅(qū)動(dòng)方式。單片機(jī)輸出數(shù)字量，經(jīng)D/A后轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的電壓值，經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)后加在直流風(fēng)扇電機(jī)上。此方式波動(dòng)小，線性好，對(duì)鄰近電路干擾小，但存在效率低和散熱等問(wèn)題。硬件需要D/ A轉(zhuǎn)換器，電路復(fù)雜，成本高。

方案二：采用PWM調(diào)速。PWM調(diào)速是使加在直流電機(jī)兩端的電壓為方波形式，通過(guò)改變方波占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，PWM由單片機(jī)輸出。采用L298N作為驅(qū)動(dòng)芯片，其內(nèi)部開關(guān)為電子開關(guān)，速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)。此方案電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。

基于以上分析，選擇方案二。其電路原理圖見圖2所示：

圖2　L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

2.4顯示模塊設(shè)計(jì)

方案一：使用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有低功耗、低損耗、低壓、壽命長(zhǎng)、耐老化、防曬、防潮、防火、防高（低）溫，對(duì)外界環(huán)境要求低，易于維護(hù)，操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。數(shù)碼管采用BCD編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易，資源占用較少；但是其不適合顯示字符，且電路復(fù)雜。

方案二：使用12864液晶顯示屏顯示。12864液晶顯示屏（LCD）具有輕薄短小、低耗電量、無(wú)輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢(shì)，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)［7］。

基于以上分析，選擇方案二。

2.5風(fēng)機(jī)模塊設(shè)計(jì)

方案一：交流風(fēng)機(jī)使用方便，常用于工業(yè)控制，但運(yùn)動(dòng)精度低，難以實(shí)現(xiàn)精確的位置控制。如用交流電機(jī)控制風(fēng)板轉(zhuǎn)動(dòng)，將難以控制其精確位置，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，較難達(dá)到題目的要求。

方案二：直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)精度很高，可實(shí)現(xiàn)較為精確的運(yùn)動(dòng)，由其組成的位置控制系統(tǒng)定位準(zhǔn)確，穩(wěn)定時(shí)間短，一般可采用開環(huán)控制。直流電機(jī)的控制系統(tǒng)必須與其驅(qū)動(dòng)控制器匹配使用，控制起來(lái)也十分方便。

基于以上分析，選擇方案二。

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)硬件方案，由SCA100T-D02采集轉(zhuǎn)角信息后送入ADC0809轉(zhuǎn)換，輸出的8位數(shù)字量送入AT89C52中，單片機(jī)經(jīng)分析處理后輸出一定占空比的PWM，經(jīng)L298N功率驅(qū)動(dòng)放大后控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)可用按鍵設(shè)定擺桿轉(zhuǎn)角并顯示［8］。

2.6程序流程圖

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，可設(shè)計(jì)主流程見圖3所示：

圖3　系統(tǒng)主流程圖

3　測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)測(cè)試結(jié)果得出，當(dāng)帆板角度從0°～60°范圍變化時(shí)，當(dāng)角度小于20°時(shí)，控制較易，誤差較小；當(dāng)角度接近60°時(shí)，控制時(shí)間明顯增加，精度存在一定誤差。當(dāng)控制角度在30°～50°時(shí)，誤差小，控制時(shí)間短，調(diào)節(jié)參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。本設(shè)計(jì)方案可基本滿足設(shè)計(jì)要求，下一步可通過(guò)改進(jìn)硬件及軟件設(shè)計(jì)方案達(dá)到更高控制目標(biāo)。

［1］吳厚航.深入淺出玩轉(zhuǎn)FPGA［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

［2］凌志浩.AT89C52單片機(jī)原理與接口技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［3］黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽訓(xùn)練教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［4］谷云高，石彥君，周曉靜，等.基于MMA7455的機(jī)器人姿態(tài)控制系統(tǒng)的研究［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2010，32（08）：15-17.

［5］孫汝建.基于SPI接口的雙軸SCA100T傾角傳感器及其應(yīng)用方法［J］.儀器儀表用戶，2006，13（4）：69-71.

［6］王盛軍，邵瓊玲.基于SCA100T和MCU數(shù)字傾角傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2010，26（22）：90-91.

［7］張新強(qiáng).點(diǎn)陣LCD驅(qū)動(dòng)顯控原理與實(shí)踐［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［8］朱清.基于單片機(jī)控制的人機(jī)界面應(yīng)用研究［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009，22（12）：5+7.

TP273；TP368.1

A

10.3969/j.issn.1672-6375.2016.09.012

2016-7-10

尚坡利（1984-），女，漢族，河南汝州人，研究生，助教，主要研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化、智能電網(wǎng)、智能控制。