基于AVR單片機(jī)帆板控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)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(shè)計(jì)任務(wù)要實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇和帆板之間的距離在一定范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，自動(dòng)調(diào)節(jié)帆板達(dá)到通過鍵盤設(shè)定的預(yù)置轉(zhuǎn)角（下文簡稱：預(yù)置參數(shù)），同時(shí)對控制過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并顯示。

設(shè)計(jì)思路：以AVR單片機(jī)為核心，采用閉環(huán)控制，角度傳感器檢測帆板的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度，單片機(jī)定時(shí)采集，與帆板預(yù)置參數(shù)進(jìn)行比較，生成調(diào)控風(fēng)扇電機(jī)的PWM信號(hào)；用LCD屏顯示預(yù)置參數(shù)、帆板的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、調(diào)節(jié)用的PWM信號(hào)及調(diào)控過程完成的時(shí)間等內(nèi)容。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

硬件概述

系統(tǒng)由以下幾個(gè)基本模塊組成：電源模塊、單片機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示與聲光報(bào)警模塊、鍵盤模塊和角度檢測模塊。整個(gè)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(jī)控制；

（2）角度檢測模塊：采用ADXL345角度傳感器；

（3）風(fēng)扇類型：采用軸流式的電吹風(fēng)風(fēng)扇；

（4）電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式：采用L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片；

（5）顯示模塊：用LCD1602液晶模塊進(jìn)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(jì)ADXL345。其輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)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(jì)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(fēng)帆擺動(dòng)不穩(wěn)的難題。單片機(jī)依據(jù)該值大小與預(yù)置參數(shù)運(yùn)算，最后生成調(diào)節(jié)風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM信號(hào)。

ADXL345與單片機(jī)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(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種為二相和四相電機(jī)配備的專用驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)雙電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)接線電路如圖5所示。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

在電路中，風(fēng)扇電機(jī)接在L298的OUTl、OUT2輸出端口上，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的兩個(gè)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(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM信號(hào)，由單片機(jī)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(shí)間受控于PWM的變化，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小，最終控制了吹動(dòng)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)力強(qiáng)弱。電路中的D1~D4起續(xù)流二極管作用。

聲光報(bào)警和按鍵電路

系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了聲光報(bào)警電路，見圖6所示。當(dāng)帆板旋轉(zhuǎn)到預(yù)置參數(shù)時(shí)，由單片機(jī)控制其工作，并持續(xù)5秒鐘報(bào)警。它由電阻R5、R18、發(fā)光二極管D5、三極管Q1和揚(yáng)聲器LS1組成。當(dāng)單片機(jī)的PA5引腳輸出低電平信號(hào)時(shí)，二極管發(fā)光，蜂鳴器發(fā)出聲音，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。

圖6 聲光報(bào)警、鍵盤電路

系統(tǒng)中的按鍵功能是控制風(fēng)帆電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和設(shè)定帆板的轉(zhuǎn)角參數(shù)值。各鍵功能如下：

S1：起動(dòng)鍵，點(diǎn)動(dòng)后，電機(jī)起動(dòng)；

S2：停止鍵，點(diǎn)動(dòng)后，電機(jī)停止；

S3：確認(rèn)鍵，首次操作，允許設(shè)定預(yù)置參數(shù)，再次操作，退出，并存儲(chǔ)參數(shù)(預(yù)置參數(shù)存在單片機(jī)的EEPROM中)；

S4：加1鍵，點(diǎn)動(dòng)1次，預(yù)置參數(shù)個(gè)位數(shù)值加1；

S5：加1鍵，點(diǎn)動(dòng)1次，預(yù)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(fù)載調(diào)整能力，其內(nèi)部含有頻率補(bǔ)償器和一個(gè)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