基于单片机的帆板控制设计

　　摘要：本设计需要使用的软件资源比较简单，只需要完成编码器采样部分、键盘控制部分以及显示输出功能。采用ＳＴＣ８９Ｃ５２进行控制比较简单、易控制、可靠性高、抗干扰能力强、高且体积大大减小。

　　０　引言

　　本设计采用ＳＴＣ８９Ｃ５２进行控制比较简单、易控制、可靠性高、抗干扰能力强、高且体积大大减小。输出速度的调节是通过键操作，显示速度。ＳＴＣ８９Ｃ５２是一种带４Ｋ字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能ＣＭＯＳ８位微处理器——具有４Ｋ字节可编程闪烁存储器，可擦除的的只读存储器（ＰＥＲＯＭ）。ＳＴＣ的ＳＴＣ８９Ｃ５２是一种高效微控制器。ＳＴＣ８９Ｃ５１单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。三级程序存储器锁定、１２８＊８位内部ＲＡＭ、３２可编程Ｉ／Ｏ线、两个１６位定时器／计数器、５个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和电模式、片内振荡器和时钟电路。电路框图如图１。

　　１．理论分析与计算

　　１．１　直流电机调速原理分析

　　根据励磁方式不同，直流电机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电机机械特性曲线有所不同。对于直流电机来说，人为机械特性方程式为：

　　分析（１）式可得．当分别改变Ｎ　Ｕ　、Ｎ　φ和　Ｒａｄ　时，可以得到不同的转速ｎ　，从而实现对速度的调节。由于φ　＝Ｔ　，当改变励磁电流ｆ　Ｉ　时，可以改变磁通量φ　的大小，从而达到变磁通调速的目的。但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流ｆ　Ｉ　和磁通量φ　只能在低于其额定值的范围内调节，故只能弱磁调速。而对于调节电枢外加电阻　Ｒａｄ　时，会使机械特性变软，导致电机带负载能力减弱。对于他励直流电机来说，当改变电枢电压时Ｎ　Ｕ　，分析人为机械特性方程式，得到人为特性曲线。

　　如图２－１、２－２所示，理想空载转速ｎ随电枢电压升降而发生相应的升降变化。

　　不同电枢电压的机械特性曲线相互平行，说明硬度不随电枢电压的变化而改变，电机带负载能力恒定。当我们平滑调节他励直流电机电枢两端电压时，可实现电机的无级调速。基于以上特性，改变电枢电压，实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用。改变电枢电压可通过多种途径实现，如晶闸管供电速度控制系统、大功率晶体管速度控制系统、直流发电机供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调速系统等。

　　１．２　角度测量原理分析

　　以重力Ｆ＝ｍｇ为输入矢量来决定物体在空间的姿态。把加速度传感器固定在物体的水平面上，当物体姿态改变时，加速度传感器的敏感轴随之转动一定角度，由于重力的作用，传感器敏感轴上的加速度会发生改变，因此可通过测量加速度的变化来反映物体姿态的变化。当加速度传感器的Ｘ轴或Ｙ轴位置相对于重力场发生变化时，重力将在相应的方向上产生分量，测量两个方向的重力分量，可以计算出沿相应轴向的倾角变化。

　　２．系统测试

　　２．１　测试仪器

　　测试仪器：量角器。

　　２．２　测试方案

　　功能逐项测试法：根据题目要求，依次逐项测试系统功能。

　　数据实测计算法：使用量角器实时测量，并将其与传感器输出数值进行比较。

　　２．３　测试结果

　　（１）功能完成情况

　　经测试，系统可完成题目中要求的基本和发挥部分的全部功能。

　　（２）指标完成情况

　　本题的指标主要是帆板倾角的测量误差。经测试，测试数据及计算结果如表１所示。

　　２．４　结果分析

　　通过测试、计算和分析，该设计系统能够完成题目要求的全部基本功能。

　　３．总结

　　在帆板控制系统的设计过程中，采用了１片ＳＴＣ公司的ＳＴＣ８９Ｃ５１单片机作为系统的控制器件；角度检测采用飞思卡尔公司ＭＭＡ８４５１Ｑ作为帆板倾角的角度检测单元；显示器和键盘组成人机界面，通过按键调节单片机输出ＰＷＭ信号能够控制风扇电机转速，用以控制帆板的翻转角度。该设计均达到赛题要求的所有基本功能。