基于AVR單片機帆板控制系統(tǒng)的設計

設計任務

設計并制作一個帆板控制系統(tǒng)，通過對風扇轉(zhuǎn)速的控制，調(diào)節(jié)風力大小，改變帆板轉(zhuǎn)角θ，如圖1所示。帆板形式及具體制作尺寸如圖2所示。

圖1 帆板控制系統(tǒng)示意圖

圖2 帆板制作尺寸圖

根據(jù)題目要求，設計任務要實現(xiàn)風扇和帆板之間的距離在一定范圍內(nèi)變動時，在規(guī)定的時間內(nèi)，自動調(diào)節(jié)帆板達到通過鍵盤設定的預置轉(zhuǎn)角（下文簡稱：預置參數(shù)），同時對控制過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)進行實時處理并顯示。

設計思路：以AVR單片機為核心，采用閉環(huán)控制，角度傳感器檢測帆板的實際轉(zhuǎn)動角度，單片機定時采集，與帆板預置參數(shù)進行比較，生成調(diào)控風扇電機的PWM信號；用LCD屏顯示預置參數(shù)、帆板的轉(zhuǎn)動角度、調(diào)節(jié)用的PWM信號及調(diào)控過程完成的時間等內(nèi)容。

系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

硬件概述

系統(tǒng)由以下幾個基本模塊組成：電源模塊、單片機控制模塊、電機驅(qū)動模塊、顯示與聲光報警模塊、鍵盤模塊和角度檢測模塊。整個系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框圖

（1）控制模塊：采用AVR單片機控制；

（2）角度檢測模塊：采用ADXL345角度傳感器；

（3）風扇類型：采用軸流式的電吹風風扇；

（4）電機驅(qū)動方式：采用L298電機驅(qū)動芯片；

（5）顯示模塊：用LCD1602液晶模塊進行顯示；

（6）電源模塊：采用LM2576開關(guān)型降壓穩(wěn)壓芯片。

角度檢測電路

角度傳感器選用三軸加速度計ADXL345。其輸出數(shù)據(jù)為16位二進制補碼格式，可通過SPI(3線或4線)或I2C數(shù)字接口訪問。對ADXL345的數(shù)據(jù)累計采樣50次,取其平均值作為結(jié)果,這種方法成功的解決了風帆擺動不穩(wěn)的難題。單片機依據(jù)該值大小與預置參數(shù)運算，最后生成調(diào)節(jié)風扇電機轉(zhuǎn)速的PWM信號。

ADXL345與單片機采用I2C模式通信，電路如圖4所示。角度檢測電路由IC1、IC3、R15、R16組成。

圖4 角度檢測電路

驅(qū)動電路

電機驅(qū)動模塊L298內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路，是一種為二相和四相電機配備的專用驅(qū)動器，內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動雙電機。電機驅(qū)動接線電路如圖5所示。

圖5 電機驅(qū)動電路

在電路中，風扇電機接在L298的OUTl、OUT2輸出端口上，控制電機正反轉(zhuǎn)的兩個輸入引腳，7腳通過電阻R4接在電源上，9腳直接接地?？刂骑L扇電機轉(zhuǎn)速的PWM信號，由單片機的PD5引腳輸出，通過隔離光耦I(lǐng)C5接在使能控制端8引腳上，L298輸出的通斷時間受控于PWM的變化，實現(xiàn)了單片機調(diào)節(jié)風扇電機的轉(zhuǎn)速大小，最終控制了吹動帆板轉(zhuǎn)動的風力強弱。電路中的D1~D4起續(xù)流二極管作用。

聲光報警和按鍵電路

系統(tǒng)中設計了聲光報警電路，見圖6所示。當帆板旋轉(zhuǎn)到預置參數(shù)時，由單片機控制其工作，并持續(xù)5秒鐘報警。它由電阻R5、R18、發(fā)光二極管D5、三極管Q1和揚聲器LS1組成。當單片機的PA5引腳輸出低電平信號時，二極管發(fā)光，蜂鳴器發(fā)出聲音，實現(xiàn)聲光報警。

圖6 聲光報警、鍵盤電路

系統(tǒng)中的按鍵功能是控制風帆電機的運動和設定帆板的轉(zhuǎn)角參數(shù)值。各鍵功能如下：

S1：起動鍵，點動后，電機起動；

S2：停止鍵，點動后，電機停止；

S3：確認鍵，首次操作，允許設定預置參數(shù)，再次操作，退出，并存儲參數(shù)(預置參數(shù)存在單片機的EEPROM中)；

S4：加1鍵，點動1次，預置參數(shù)個位數(shù)值加1；

S5：加1鍵，點動1次，預置參數(shù)十位數(shù)值加1。

電源

LM2576開關(guān)型穩(wěn)壓器的效率比三端線性穩(wěn)壓器要高的多，有優(yōu)異的線性和負載調(diào)整能力，其內(nèi)部含有頻率補償器和一個固定頻率振蕩器，可將外部元件數(shù)目減到最少且使用方便。電源電路如圖7所示。

圖7 電源電路