帆板角度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要 系統(tǒng)采用單片機(jī)(STC89C54RD)作為主要控制器件，采用HEDS9701槽型光耦加360線光柵片組成的編碼器獲取帆板的角度信息，由單片機(jī)實時采集編碼器的正交信號，從而獲得實際角度。根據(jù)實際角度和目標(biāo)角度數(shù)值，通過PID算法獲得控制參量，調(diào)整PWM的參數(shù)，從而控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對帆板的角度修正和動態(tài)控制。
關(guān)鍵詞 單片機(jī)；角度控制；PID

帆板控制系統(tǒng)，通過對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制，調(diào)節(jié)風(fēng)力大小，改變遮風(fēng)板轉(zhuǎn)角θ，顯示范圍為0°～60°，分辨力為2°，絕對誤差≤5°；當(dāng)間距d=7～15 cm時，通過操作鍵盤控制風(fēng)力大小，控制帆板轉(zhuǎn)角θ，θ在0°～60°，要求控制過程在5s內(nèi)完成，并實時顯示，且有聲光提示。如圖1所示。

1 總體方案確定
帆板控制系統(tǒng)總體框圖主要由單片機(jī)、角度信息采集模塊、鍵盤輸入模塊、顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊以及電源模塊構(gòu)成。系統(tǒng)設(shè)計總體框圖如圖2所示。

(1)角度信息采集模塊：采用HEDS9701槽型光耦加360線光柵片組成的編碼器獲取帆板的角度信息，分辨率為1°，符合設(shè)計要求，且已經(jīng)是數(shù)字信號，無需通過A／D采用模塊輸入單片機(jī)系統(tǒng)，穩(wěn)定可靠。
(2)電機(jī)驅(qū)動模塊：選用直流電機(jī)風(fēng)扇，工作電流1．2 A，工作電壓12 V。經(jīng)測試，風(fēng)力能將帆板吹至約80°。采用單片機(jī)STC89C54作為主控芯片，通過編碼器輸出的正交信號可以實現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，通過PWM方式控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)對帆板的角度控制。
(3)控制系統(tǒng)的選擇：選用STC89C54作為主控器件，STC系列單片機(jī)是紅星科技生產(chǎn)的單時鐘、機(jī)器周期(IT)單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。

2 理論分析與計算
2．1 角度信號的產(chǎn)生與計算
角度通過編碼器輸出的正交信號進(jìn)行計算獲得。如圖3所示，A、B分別是傳感器輸出的兩路正交信號。

如表1所示，正交信號A和B共同組成了4種情況，如當(dāng)前A為1；B為0時；信號變?yōu)锳為0；B為0，則帆板往反方向轉(zhuǎn)，角度減少1°；信號變?yōu)锳為0，B為1，則帆板往正方向轉(zhuǎn)，角度增加1°；以此類推，正反方向各共有4種情況。
2．2 PID控制直流電機(jī)算法介紹
設(shè)計采用PI轉(zhuǎn)速控制，PI控制實現(xiàn)采用常規(guī)方法，并包含了一個(Kc*Excess)項以抑制積分飽和，如圖4所示。

相應(yīng)程序為