帆板控制系統（f題）設計報告
摘要本文設計了一種帆板控制系統，採用美國cygnal公司推出的c8051f系列微控制器c8051f020作為帆板控制核心。採用pid控制演算法，控制脈衝寬度調製(pwm)，達到控制風扇轉速，改變帆板轉角的目的。使用mma7361傾角感測器檢測帆板的轉角，利用c8051f020內部a/d採集帆板傾斜角的電壓，通過12864液晶顯示器顯示帆板的轉角。
可在設定距離內精確控制帆板角度，具有精度高、誤差小、響應速度快、價效比高、工作穩定可靠等優點。
關鍵字：c8051f020 帆板轉角 pid演算法 pwm
1.系統方案選擇和論證
1.1控制器的設計方案選擇與論證
方案一：採用stc89c51作為控制核心。51微控制器**低廉，使用簡單，但其運算速度較低，功能也較單一，需外加a/d,增大了硬體電路設計與控制過程複雜度。
方案三：採用c8051f020作為系統控制器器。內部有自帶的12位ad和自動產生pwm波，有捕捉功能正好滿足本系統的需求。
具有運算功能強，軟體程式設計靈活、自由度大，可用軟體程式設計實現各種演算法和邏輯控制，由於其功耗低、體積小、技術成熟等優點，各個領域應用廣泛。
方案二：採用fpga（現場可程式設計門陣列）作為系統的控制器。fpga可以實現各種複雜的邏輯功能，規模大，密度高。
但由於本設計對資料處理速度要求不高，fpga的高速處理的優勢得不到充分體現，並且由於其整合度高，使其成本偏高，同時其晶元引腳較多，實物硬體電路板佈線複雜，加重了電路設計和實際焊接的工作。因此排除該方案。
綜上所述，本系統採用方案三。
1.2角度檢測模組設計方案選擇與論證
方案一：用自製的角度感測器（精密可調電阻+恆流源）。通過測試，精度基本可以滿足要求，但在平衡調整時裝置的慣性較大，平衡難度大，易出現可調電阻接觸不良。
且裝置的體積較大，在帆板上安裝困難。
方案二：採用zcc211n-232電子羅盤感測器。是採用磁阻感測器感應地球磁場的磁分量，從而得出方位角度。
該方案精度高，執行穩定，但此感測器要求在水平面上工作，而且在每次使用過程中需要通過鍵盤調零，使用不太方便。
方案三：採用mma7361低成本微型電容式角度感測器。該整合晶元為專用的水平傾角測量晶元，具有體積小，靈敏度高、使用簡單、可靠等優點，可滿足該題對平衡角度的精確要求。
比較得方案三精度高，且省去模擬量的採集，簡化了系統結構，故採用方案三。
1.3驅動模組的方案選擇與論證
方案一：採用功率管組成ｈ橋型電機驅動電路，並利用pwm波來實現對輸出電壓的有效值大小和極性進行控制。這種調速方式具有調速特性優良、調整平滑、調速範圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負載衝擊，能耗小等優點，還可以實現頻繁的無級快速啟動和反轉等優點。
方案二：採用l298專用晶元進行驅動。l298晶元的工作原理和方案一一致，但是其工作時較方案一穩定，且程式設計較為簡單，便於除錯。
另外l298內部整合了兩個h橋，能同時驅動兩個電機，但根據本系統設計要求成本太高，電路複雜。
方案三：採用乙個三極體和場效電晶體設做pwm調速。此方案電路設計簡單、成本低、功耗低、調速特性優良等優點。
綜上所述，本系統採用方案三。
1.4風扇的方案選擇與論證
方案一：選用台式計算機電源散熱風扇。該風扇風速的穩定性好，重量輕，外觀漂亮。但風扇的風力小，不能吹動帆板的角度在我們所需的範圍內。
方案二：選用電吹風裡的直流風扇。該風扇風量大、效率高、風損小、穩定性好等優點。滿足本系統需求，故選方案二。
1.5系統總體方案
方案一：採用stc89c52rc微控制器作為控制器，示意圖如圖1-1所示。此方案是採用mma7361感測器檢測帆板角度，通過adc0809數模轉換後送給stc89c52微控制器，實現脈衝寬度調製(pwm)控制脈寬的占空比來控制風扇的乙個風速，改變帆板的轉角。
利用鍵盤可以設定脈寬的占空比調節風扇的速度，在12864液晶顯示器上顯示帆板的角度。帆板轉角θ穩定在 45°±5°範圍內，控制過程在10 秒內完成，實時顯示θ，聲光報警實現提示。此方案**便宜、能夠完成本系統要求，但電路複雜,製作困難，占用i/0口多，故此方案不採取。
2、系統的硬體設計與實現
2.1角度檢測電路設計與檢測原理
本系統採用mma7361加速度感測器檢測帆板的轉角。 mma7361是一款低功耗、低寄生電容的微型機械加速度計，具有尺寸小，自測試，可進行溫度補償等特徵。該器件可用於檢測線性運動物體的加速度以及圓運動的加速度。
mma7361型感測器是根據正壓電效應的原理來工作的。正壓電效應是指：當晶體受到某固定方向外力的作用時，內部產生電極化現象，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力撤去後，晶體又恢復到不帶電的狀態；當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。
mma7361感測器與被測物件帆板的轉軸一起旋轉的過程中，感應三維加速度電壓xout，yout和zout，只要計算出產生的電壓和所施加的加速度之間的關係，就可以將加速度轉化成電壓輸出。將感測器安裝在帆板上，當帆板隨轉軸轉動時，感測器與轉軸一起轉動，輸出反映感測器轉動加速度的向心加速度電壓zout（加速度電壓分量xout，yout可合成zout），從而就可通過向心加速度zout（）得出帆板的轉角。具體計算如下：
2）3）
由(2)、(3)式可得到轉角與向心加速度的其中如下關係式：
4）為轉軸的向心加速度；r為轉軸半徑；為帆板轉角。這樣，就可以通過測量帆板轉動的加速度得出帆板的轉角。表1為角度感測器的輸入輸出測量值。
表1 角度感測器的輸入輸出關係
2.5風扇控制電路的設計
微控制器c8051f020利用程式實現pid運算，得到不同占空比的pwm波輸出，通過光隔hcpl-2630驅動風扇直流電機轉動，控制電路如圖所示。
pwm波通過驅動器加在直流電動機電樞上，驅動器的功率管工作在開關狀態，當器件導通時，器件的電流很大但是壓降很小；器件關斷時，壓降很大但是電流很小。因此驅動器的功率消耗少，發熱量少，效率較高。
pwm脈寬調變方法是直流電機轉速控制中最重要也是最常見的一種驅動方式。取樣控制理論中有乙個重要的結論：衝量相等而形狀不同的窄脈衝加在慣性環節上時，其效果基本相同，這正是pwm控制技術的理論基礎。
設占空比為100%的pwm訊號經驅動器驅動後其有效電壓幅值為u，則占空比為α的pwm波其對應的有效值輸出uα=α*u。本系統驅動電路採用8550三極體和場效電晶體irf630作為開關器件，易於與處理器介面，使用簡單。
控制輸入端p4輸入由微控制器產生的pwm波，在乙個pwm週期裡，電機的電樞承受單極性的電壓，電機的速度由pwm的脈寬決定。根據pwm占空比的大小控制電晶體的開關狀態來調節的電機的轉速。當占空比為0時，即電機停止轉動。
當占空比為百分之百時，電機處於全速運轉狀態，風力達到最大，從而帆板的控制角度為最大角度。電機的轉動速度由pwm的占空比的寬度決定。寬度增大速度則快，即電機加速，寬度減小則電機轉動速度減慢，即電機減速。
電路中二極體注意是起續流保護作用。由於電機具有較大的感性，電流不能突變，若忽然將電流切斷將在功率管兩端產生巨大的電壓，損壞器件。為了進一步提高抗干擾能力我們還使用了hcpl-2630高速光電耦合器件組成的隔離電路和控制電路和動力電路進行電氣隔離。
圖1-5 驅動電路原理圖
2.6聲光報警模組電路的設計原理
聲光報警電路的電路原理圖如圖1-6所示。p3是接微控制器i/o口，三極體的工作條件要求是「發射結正偏，集電結反偏」。當微控制器為高點平時，電流流過電阻r1到三極體9012的基極，明顯不滿足發射結正偏，處於截止狀態，蜂鳴器和發光二極體均不發聲和指示報警。
當間距 d=10厘公尺，通過操作鍵盤控制風力大小，使帆板轉角θ穩定在 45°±5°範圍內時，微控制器i/o口為低電平小於1.4v，使得三極體的基極為低電平，滿足三極體的工作條件「發射結正偏，集電結反偏」，三極體處於飽和狀態，蜂鳴器和發光二極光分別發音和指示報警。
圖1-6 聲光報警電路原理圖
2.2 鍵盤電路設計
鍵盤採用4*4的行列式鍵盤。p4的低4位作為行線輸出，p4的高4位作為列線輸入。掃瞄採用定時方式，微控制器每20ms掃瞄一次。
16個按鍵分成兩大功能區，其中4個作為功能選擇鍵：選單功能（並作為數值輸入確認鍵）、按鍵退出、基本功能選單、發揮部分功能選單，10個作為轉角數值輸入，可以以10進製輸入帆板轉角設定值。
2.3顯示電路設計與原理
顯示採用12864液晶顯示器進行顯示。12864液晶顯示功能強大，可顯示各種字型的數字、漢字、影象，還可以自定義顯示內容，對於本系統可以通過鍵盤可以在液晶上製作各種功能選單，文字元號和圖形。使得系統具有人性化設計。
顯示原理圖如圖1-3所示：
圖1-3 顯示電路原理圖
三、系統軟體設計
3.1系統總流程圖
3.2控制演算法設計與實現
帆板轉角的控制採用pid控制演算法。離散pid演算法如式（）所示。
pid演算法包括3種作用，比例作用可對系統的偏差做出及時響應；積分作用主要用來消除系統靜差，改善系統的靜態特性，體現了系統的靜態效能指標；微分作用主要用來減少動態超調，克服系統振盪，加快系統的動態響應，改善系統的動態特性。
被控物件帆板的轉角由按鍵設定給定值θ，角度感測器測量帆板當前轉動角度得到θ1(k)，微控制器對θ與θ1(k)作減法運算，得到偏差△θ(k)，式（）中的e(k)即為 △θ(k)。微控制器執行pid演算法實現對被控帆板轉角的控制。整個系統構成乙個閉環系統。
系統的軟體設計採用c語言程式設計，軟體開發採用新華龍silicon laboratories ide軟體平台進行除錯。為了編寫和除錯的方便，節省資源，程式使用模組化設計，根據各功能要求分別設計程式，大大簡化了程式的設計和除錯工作，節省設計週期在c8051f020平台上完成了微控制器系統的開發，實現了各項設計功能和指標要求。
4. 系統測試
4.1 測試儀器
表1 測試使用的儀器裝置
控制系統總結
1.1關於控制的基本概念 1 控制物件 被控制的裝置或生產過程。例如 核電廠功率控制系統中的反應堆動力裝置。2 被控制量 為控制物件的輸出量，表徵生產過程是否符合規定工況的物理量。例如 反應堆的功率，穩壓器的水位 壓力等。3 給定值 希望被控制量應該具有的量值或目標值。可以是常量可以是隨時間任意變化...
巡航控制系統
專案五 巡航控制系統 ccs 檢修 一 巡航控制系統概述 1.巡航控制系統的作用 巡航控制系統 ccs 是一種利用電子控制技術保持汽車自動等速行駛的系統。當汽車在高速公路上長時間行駛時，接通巡航控制主開關，設定希望的車速，巡航控制系統將根據汽車行駛阻力的變化，自動增大或減小節氣門開度，使汽車按設定的...
第6章控制系統的校正及綜合
6 1 設一單位反饋系統其開環傳遞函式為 若使系統的穩態速度誤差係數，相位裕量不小於，增益裕量不小於10db，試確定系統的串聯校正裝置。6 2 設一單位反饋系統，其開環傳遞函式為 求系統的穩態加速度誤差係數和相位裕量不小於時的串聯校正裝置。6 3 設一單位反饋系統，其開環傳遞函式為 要求校正後的開環...