基于单片机控制的角度自动调整系统设计

摘要：本系统采用单片机STC12C5A08S2作为主控芯片，输出可控的PWM信号，通过L298N专用驱动电路对风扇的转速进行控制，调节风力大小，改变帆板偏转角度。使用WDD35D4角度传感器检测帆板偏转角度，检测信号送回单片机控制系统，形成闭环系统。系统可通过键盘输入进行风力控制达到自动调整帆板偏转角度目的。同时系统还可通过显示电路实时显示帆板偏转角度值。
关键词：单片机；帆板；偏转角度；角度传感器

角度自动调整控制系统在航空航天、航海、汽车驾驶等现实生活领域中都有重要应用，因此有着非常重要的研究价值和广泛的应用价值。把单片机与角度传感器有效结合起来，就可实现一般领域的角度自动调整控制。文中详细介绍了基于单片机控制的角度自动调整系统设计方法，该系统针对帆板角度进行控制，可根据需要自动调整帆板偏转角度大小。

1 系统方案设计及电路工作原理
本系统包括单片机控制系统、角度检测电路、驱动电路、角度检测电路、显示电路、电源电路、机械控制模块等组成，如图1所示。

系统设计方案总体描述：方案设计的思路就是由单片机控制系统输出PWM驱动信号给驱动电路，由驱动电路驱动风扇运转，从而使帆板发生角度偏转，角度检测电路检测帆板偏转角度值送给单片机控制系统，由液晶显示器上显示出帆板所偏转的角度。
控制系统采用单片机控制系统STC1205A08S2。由单片机输出PWM信号给驱动电路，改变输出电压，从而实现对风扇转速的改变。由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变换受外界干扰小，整个系统工作可靠，从而利用单片机控制系统更能精确的实现对PWM波占空比的调整，达到对帆板角度偏转进行精确地调整。且具有价格便宜、电路简单等优点。
角度检测电路采用WDD35D4角度传感器。WDD35D4采用硬质铝合金材料制作外壳，采用导电塑料作为电阻材料，多种电阻值可选，独立线性度可达到0．1％，具有机械寿命长，分辨率高，转动顺滑，动态噪声小的优良性能。
驱动电路采用采用PWM控制专用驱动芯片L298N。L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46 V、2 A以下的电机。
显示电路用LCD液晶进行显示。LCD液晶显示由于其驱动电压低、功耗微小、可靠性高、显示信息量大、无闪烁、显示清晰、使用方便、显示快速等优点而得到了广泛的应用。
风扇采用型号为WFB1212LE的大口径风扇。在选择风扇时应考虑风扇的材料、性能强劲、工作稳定、寿命长等特性，还要考虑风扇的地面尺寸。与风扇地面尺寸息息相关的数据是过风面积，进一步影响到风扇的重要指标是风量，拥有更大的地面尺寸，一般就可以获得更大的过风面积，在风速相当的情况下，将获得更大的风量。
机械控制模块的设计关键是使帆板转动自由、能顺利回到零点；角度传感器输出精度高。直接把角度传感器和帆板转轴相连。此方案简单、可行。但若帆板转动范围较小，角度传感器输出角度也较小，输出精度相对低些。

2 理论分析与计算
2．1 测量角度原理
角度传感器是一种精密的线绕电位器，如图2所示。

由于角度传感器是线性电位器，则有

若最大角αmax和最大输入电压Umax往往是已知，若求出或测出输出电压，便可计算或测量角度。
由于单片机只能处理数字信号，因此需要通过一个A／D转换电路把模拟信号转换为数字信号送给单片机系统。WDD35D4角度传感器的量程为：0～2 k，角度传感器两端电压为12 V，由于帆板受到风力，使得帆板带动角度传感器的旋转，从而改变角度传感器分得的电压，因此我们得到的控制算法为(x为假设的角度传感器输出电压模拟量)：

2．2 PWM控制原理
PWM的意思是脉宽调节，也就是调节方波高电平和低电平的时间比，一个20％占空比波形，会有20％的高电平时间和80％的低电平时间，而一个60％占空比的波形则具有60％的高电平时间和40％的低电平时间，占空比越大，高电平时间越长，则输出的脉冲幅度越高，即电压越高。如果占空比为0％，那么高电平时间为0，则没有电压输出。如果占空比为100％，那么输出全部电压。所以通过调节占空比，可以实现调节输出电压的目的，而且输出电压可以无级连续调节。从而可精确调整电动机的转速。
分辨率也就是占空比最小能达到多少，如8位的PWM，理论的分辨率就是1：255(单斜率，即28之一)，16位的PWM理论就是1：655 35(单斜率，即216之一)。为提高系统中的分辨率，本系统中采用10位的PWM，理论上的分辨率为1：1 024。
本系统设计的核心算法为PID算法，它根据本次采集的数据与设定值进行比较得出偏差e(n)，对偏差进行PID运算，最终利用运算结果控制PWM脉冲的占空比来实现对加在电机两端电压的调节，进而控制电机转速。其运算公式为：
u(n)=Kp[e(n)-e(n-1)]+KIe(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]+u0 (8)

3 硬件主要模块电路设计与分析
3．1 驱动电路
根据电路系统设计要求，驱动电路采用了L298N集成电路。L298N是一种高压、大电流双全桥式驱动器，其设计是为接受标准TTL逻辑电平信号和驱动电感负载的。L298N芯片可驱动48 V、2A以下的电机。电路图如图3所示。L298N驱动1个电机，OUT3、OUT4之间接1个电动机。 5、7、10、12、脚接输入控制电平，ENA接控制使能端(PWM信号)，控制电机的停转。