單片機(jī)作為微控制器的一種，廣泛應(yīng)用于日常生活。該課程由于其綜合性和實(shí)踐性較強(qiáng)，涉及知識較多，對培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)的硬件、軟件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的能力，學(xué)生分析問題，解決問題的能力，高職學(xué)生職業(yè)技能，實(shí)踐創(chuàng)新能力有重要的作用，為從事自動控制及應(yīng)用電子產(chǎn)品的檢測、設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

該系統(tǒng)要求通過鍵盤預(yù)置角度，利用風(fēng)扇風(fēng)力大小控制帆板轉(zhuǎn)角，并實(shí)時(shí)顯示。涉及了角度檢測、電機(jī)驅(qū)動、PWM、閉環(huán)控制、AD轉(zhuǎn)換等單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)，是帆板自主航行系統(tǒng)中重要的組成部分。

1 系統(tǒng)方案描述

根據(jù)要求，本系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、人機(jī)交互模塊、風(fēng)扇控制模塊、角度檢測模塊、聲光報(bào)警模塊、系統(tǒng)電源6大模塊構(gòu)成，具體框圖如圖1所示。

1.1 微處理器模塊

采用STC公司的STC12C5A60S2單片機(jī)作為微處理器。

該單片機(jī)為增強(qiáng)型51單片機(jī)，具有高速、低功耗及超強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換器(速度達(dá)25萬次/秒)，非常符合系統(tǒng)要求。

1.2 角度檢測模塊

采用MMA7361加速度角度傳感器測量角度。加速度角度傳感器是通過測量由于重力引起的加速度計(jì)算出器件相對于某一平面的傾斜角度。角度傳感器反應(yīng)靈敏、輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且價(jià)格適中。利用加速度傳感器進(jìn)行角度測量分為3種：單軸傾角測量、雙軸傾角測量和三軸傾角測量。

本次設(shè)計(jì)中，由于只要測量帆板與豎直方向夾角，故選用單軸傾角測量。單軸傾角測量的原理如圖2所示，單個軸(即x軸)通過重力旋轉(zhuǎn)。

由于本方法近僅使用單個軸且要求重力矢量，僅當(dāng)器件具有特定方向且x軸始終具有處于中心面時(shí)，算出的傾角才能準(zhǔn)確。根據(jù)基本三角原理，x軸上的重力矢量投影會產(chǎn)生等于加速度計(jì)x軸與水平線夾角正弦值的輸出加速度。水平線通常為與重力矢量垂直的平面。在重力為理想值1 g時(shí)，輸出加速度為：

AX.OUT[g]=lgxsin(φ)

在實(shí)際使用中，查閱所用傳感器MMA7361技術(shù)手冊及利用加速度傳感器測量角度的原理，可得輸出電壓與測量角度的關(guān)系為：

其中，VOUT表示加速度傳感器的輸出電壓，VOFFSET表示重力加速度為0 g加速度傳感器的偏移量，

表示加速度傳感器的靈敏度，1 g表示地球上的重力加速度，θ表示偏轉(zhuǎn)角度。

所以，可以得到角度值為：

角度檢測電路圖如圖3所示。經(jīng)角度檢測模塊輸出角度模擬量，經(jīng)單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換并經(jīng)上式計(jì)算后就可以得到所測角度值。

1.3 風(fēng)扇控制模塊

PWM(脈寬調(diào)制)是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法，利用微處理器的數(shù)字輸出對模擬電路進(jìn)行控制的一非常有效的技術(shù)。相比電壓調(diào)速的方法，PWM調(diào)速具有精度高，易于控制等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)選用的微控制器集成了PCA模塊，可直接輸出PWM，方便使用。

本系統(tǒng)利用直流電動機(jī)驅(qū)動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，電機(jī)驅(qū)動芯片MC33886是單片集成的H橋元件，適用于驅(qū)動小功率直流電機(jī)。本電路選擇了MC33886的全橋工作方式，采用單片工作時(shí)，驅(qū)動電路的溫度會非常高，有時(shí)溫度會超過MC33886自我保護(hù)的最高溫度導(dǎo)致驅(qū)動停止工作。

為了解決這一問題，將兩片完全相同的MC33886并聯(lián)，發(fā)現(xiàn)溫度得到了有效控制，電路的驅(qū)動能力也得到了進(jìn)一步的提高。電路如圖4所示。

為了精確控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制帆板角度的目的，本系統(tǒng)由單片機(jī)通過角度檢測模塊得到帆板的實(shí)際轉(zhuǎn)角，與預(yù)置轉(zhuǎn)角比較，經(jīng)PI控制器，輸出可調(diào)的PWM信號，再驅(qū)動直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而形成風(fēng)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，即負(fù)反饋控制。電機(jī)調(diào)速模塊框圖如圖5所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由主程序及各子程序完成。在主程序模塊中，需要完成對各參量和接口的初始化、PCA模塊初始化、液晶屏初始化以及角度采集、鍵盤掃描、主循環(huán)等工作。主程序流程圖如圖6(a)所示。在風(fēng)扇速度控制中，本系統(tǒng)采用增量式PI算法，具體流程圖如圖6(b)所示。

3 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)的帆板控制系統(tǒng)能夠較好地完成帆板角度測量及控制任務(wù)。其中STC12C5A60S2單片機(jī)非常適合高職學(xué)生單片機(jī)入門學(xué)習(xí)，同時(shí)，該系統(tǒng)角度閉環(huán)PID控制系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)角度的調(diào)節(jié)，整個系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)友好，且所用器件少，電路簡單，性價(jià)比高。