基于AVR單片機風板控制系統的設計

劉立軍

(遼寧機電職業技術學院 華孚儀表學院,遼寧 丹東 118009)

基于AVR單片機風板控制系統的設計

劉立軍

(遼寧機電職業技術學院 華孚儀表學院,遼寧 丹東 118009)

以AVR單片機作為控制核心，設計并制作了一種能夠控制風板的自動控制系統, 該系統利用角度傳感器實時測量風板旋轉的角度、電機驅動并結合軟件的算法實現風板的轉角測試。該系統能夠通過LCD1602液晶顯示器實時顯示相關參數，風扇的轉速能夠實時控制并伴有聲光提示等功能，該系統軟件設計簡單、計算量小、測試角度誤差小，風板能夠較快且較準確地達到預定設置角度,并具有較好的穩定性。通過測試數據表明，該系統具有一定的理論研究意義和工程實用價值。

AVR；風板；LCD1602；轉角測試

在搖動帆式風力發電系統中，通過帆板的往復擺動所產生的動能可以驅動發電機發電，同時這種發電系統具有發電效率高和良好的低風速發電特性和優異的耐強風性特點。隨著智能控制技術的不斷發展，風板控制系統的發展方向是數字化、智能化、高性能。風力的大小可以利用風板角度控制系統準確地測量出來，這樣風板偏轉的角度就可以準確地計算出來，風力的大小就被準確地計算出來。通過大量的研究發現，風板角度控制系統已經成為測量風力大小的典型控制器。文章設計了一種采用AVR單片機作為主控芯片的風板控制系統，當風板垂直角度在一定范圍內變動時，在設定的時間內，風板控制系統通過按鍵設定風板完成預置角度并完成規定動作，系統對控制過程中的相關數據用LCD1602液晶顯示器進行實時顯示[1]。

1 系統總體設計

風板控制系統用AVR單片機作為控制核心部件，采用高精度三軸角加速度傳感器ADXL345對風板旋轉角實時檢測，單片機對采集到的角度信號加以分析判斷處理，同時將此信號轉換成角度數據與預置角度進行比較運算，生成導通角控制量值，并通過單片機將處理結果傳送給電機驅動器件，使其能夠控制驅動電機調節風扇的轉速。用獨立按鍵和液晶顯示器LCD1602作為人機交互界面，用于手動輸入和相關參數的實時顯示。

系統由電源、AVR單片機、電機驅動芯片、LCD1602液晶顯示器與聲光報警電路、輸入電路和角度檢測電路構成[2,3]，系統總體框圖如圖1所示。

2 風板控制系統硬件電路

2.1單片機控制和顯示電路

控制系統的核心處理芯片選用AVR系列單片機中的ATmega16[4]，在風板控制系統中單片機主要完成以下處理功能：1)ADXL345三軸角加速度傳感器信號的數據采集處理與信號補償。2)產成電機驅動信號用于調節風扇的轉速。3)控制LCD1602液晶顯示電路，用于實現字符、數據的實時顯示和聲光報警電路的控制。4)按鍵狀態信息的讀取，用于實現預置參數的設置、存儲，控制電機的啟動和停止等操作。

選用LCD1602液晶顯示電路，它是一款專門用于顯示字母、數字、符號的點陣試LCD，顯示字符為16字*2行。在本系統中，LCD1602要顯示的內容包括預置參數、風板的實時轉動角度、控制過程完成時間和導通角等參數。

單片機實時顯示電路如圖2所示，AVR單片機的時鐘電路由C6、C7和8 MHz晶振構成，顯示電路由芯片IC1、IC7和電位器R5等外圍電子元件來構成，復位電路由R2、C8和按鍵S1組成，S1是手動復位鍵。

2.2角度檢測電路

角度傳感器選用三軸角加速度傳感器ADXL345[5]，其輸出數據為16位二進制補碼格式，數據可通過SPI(3線或四線)總線或I2C總線方式訪問。角加速度傳感器ADXL345固定安裝在風板控制系統的轉軸上，它隨著轉軸一起轉動，AVR單片機作為控制核心，實時采集ADXL345傳感器中的角度數據，經過運算處理補償后轉換成相應的角度值，在LCD1602顯示器上實時顯示數據。對于角度數據的處理采用累積10次采樣結果、再對其取平均值的方法進行數據處理，這種數據處理的方法能夠有效解決風板在擺動過程中狀態不穩的難題。單片機根據實時采集的角度值與預置角度值進行比較運算，最后產生調節風扇電機轉速的導通角量值。

ADXL345與AVR單片機采用I2C模式進行通信，角度檢測電路由IC1、IC8、R6、R7構成，電路如圖3所示。

2.3電機控制電路

電機控制電路見圖4，由過零檢測電路和觸發脈沖與驅動電路構成[6]。過零檢測電路由變壓器、整流橋、R20、C20構成，接入單片機PA7口，確定基準點，判斷導通角零點。兩路觸發脈沖與驅動電路由光耦、驅動三極管、固態繼電器等器件構成。觸發脈沖由單片機PD4、PD5口輸出。通過對固態繼電器導通角的控制，調節風機的轉速。風機MG1、MG2采用交流220V、38W軸流風機。

2.4輸入和聲光報警電路

在風板控制系統中按鍵的主要功能是控制電機的啟動與停止和設置風板的轉角數值，其電路如圖5 所示。各按鍵功能為：S2：加十，執行加十子程序；S3：加一，執行加一子程序；S4：減十，執行減十子程序；S5：減一，執行減一子程序；S6：確認。

聲光報警電路由R13、R14、發光二極管D8、三極管Q1和揚聲器LS1等器件來組成。當風板轉軸旋轉到預置角度參數時，由AVR單片機控制聲光報警電路工作，用于產生持續的聲光報警信號。

3 風板控制系統軟件設計

3.1控制單元及中斷服務子程序

控制單元主程序流程主要包括系統初始化、是否啟動按鍵、是否產生聲光報警信號和設置參數的判斷與處理等子程序。

1)系統初始化：系統的初始化主要包括AVR單片機引腳的初始化和相關參數的初始化等操作。

2)聲光報警信號：風板轉到預置參數時，執行聲光報警子程序，產生聲光報警信號。

3)設置參數的判斷與處理：判斷按鍵是否按下，執行相關參數設置子程序。

在風板控制系統軟件設計中還有2個定時器中斷服務程序，分別是定時器1和定時器2中斷。定時器1中斷服務子程序主要用于實現對LCD1602液晶顯示器的各種字符、相關數據的實時顯示。定時器2中斷服務子程序主要是實時采集三軸角加速度傳感器ADXL345的角加速度數據，采集完成后，置位每次數據采集完成的標志位。

3.2風板控制系統軟件流程設計

軟件采用模塊化程序設計的構建方法。下面分別闡述兩個單元的主程序的架構及兩個中斷服務子程序的作用[7]。主程序流程如圖6所示，主程序主要包括風板控制系統的初始化、角度實時檢測、按鍵啟動和停止的判斷與處理、聲光報警信號的產生和相關參數設置等。角度檢測程序流程如圖7所示，主要包括系統檢測程序的初始化、角度參數的實時采集與顯示、角度參數的相關數據處理、累計判斷、生成導通角量值等。

風板控制系統的初始化主要包括單片機引腳及功能的初始化、A/D模數轉換程序初始化、相關變量參數初始化、I2C通信模式設置和定時器中斷服務等相關初始化操作；在采集風板轉軸角度過程中首先是要檢測角度采集標志位的狀態，在中斷服務子程序中完成三軸角加速度傳感器數據的實時采集，每次數據采集完成后都將采集標志位置位；當角度數據采集完成后，將采集標志位清零，對每次采集到的數字量進行數據處理，通過查表的方式對角度數據進行補償，同時將補償后的數據變成能夠反映實際角度的度數值,用于顯示角度值用，將操作結果進行累計，當累計的角度值達到10次以后，對采樣值取平均值，產生最終可以調節風扇電機轉速的信號。

4 測試結果分析

按測試要求，預置風板控制角度在45°～135°之間設定，由起點開始啟動裝置，控制風板達到預置角度，過渡過程時間不大于10 s，控制角度誤差不大于5°，在預置角度上的穩定停留時間為5 s，誤差不大于1 s，動作完成后風板平穩停留在初始位置上。

風板控制系統測試時選用主要儀器包括示波器、數字萬用表、量角器、刻度尺等測試儀器。測試風板實際角度與角度傳感器角度的測量表如表1所示，導通角量值數據如表2所示，風板控制系統可以很好地完成預置風板角度，完成規定動作，且有臨界聲光提示，角度顯示。過渡過程時間≤10 s，控制角度誤差≤5°。在預置角度上的穩定停留時間為5 s，誤差≤1 s。

根據上述測試數據，隨著晶閘管導通角控制程度的增大，風機的風速逐漸加大，風板設定的角度能維持3～5 s，由此可以得出以下結論：

1)風機的轉速與晶閘管導通角的控制程度成比例關系。

2)風板實際角度與傳感器檢測的角度誤差2°，當穩定時角度誤差小于5°波動。

5 結論

以AVR單片機作為控制核心,設計并制作了一種能夠控制風板的自動控制系統, 該系統利用角度傳感器測角度、電機驅動并結合軟件的算法實現風板的轉角測試。利用LCD1602液晶顯示器對測量的角度等參數進行實時顯示，并對風扇的轉速實時控制，同時并伴有聲光提示等功能。該系統使得風板能夠較快且較準確地達到設定角度,并具有較好的穩定性。

表1 風板實際角度與角度傳感器角度比較

表2 導通角量值數據

該系統具有軟件設計簡單、計算量小、測試角度誤差小等特點。通過測試數據表明，該設計具有一定的理論研究意義和工程實用價值。

[1] 喬之勇,王榮海.基于AT89S52的帆板控制系統[J]. 兵工自動化，2013(2):88-90.

[2] 求是科技.單片機典型模塊設計實例導航[M].第2版.北京:人民郵電出版社, 2006.

[3] 李小琴.帆板角度控制系統的設計與實現[J]. 電子科技, 2013(2)：107-113.

[4] 耿進飛，左慢慢，陸靜.基于ATmega16可編程增益的模擬信號測量系統[J].儀表技術與傳感器,2012(8):46-47.

[5] 王學水，池金波，馬建玲．基于重力加速度傳感器的三維高斯計的設計[J].儀表技術與傳感器，2015(8):23-25.

[6] 薛劭申,許海平,方程,等.多相永磁同步電機PWM技術[J].哈爾濱工業大學學報，2014(4)：122-128.

[7] 張永紅,高曉梅.遮風板角度控制系統設計及優化[J].電子設計工程,2012,20(7): 83-88.

DesignofWindPlateControlSystemBasedonAVRSingleChipMicrocomputer

LIU Li-jun

(School of Huafu Meters, Liaoning Mechatronics College, Dandong 118009, Liaoning, China)

Based on AVR microcontroller as control core, this paper designs an automatic control system to control wind plate. This system uses the angle sensor, real-time measurement of wind angle plate rotating motor drive and combines with software algorithm of measuring angle of wind plate. The system can display the relevant parameters through the LCD1602 LCD display, real-time control and fan speed with the acousto-optic prompt function. The software design of this system is simple; small amount of calculation and test of angle error is small; the wind board can quickly and accurately reach a predetermined set point, and has better stability. The test data shows that the system has certain theoretical and engineering significance and practical value.

AVR; wind plate; LCD1602; corner test

TP273

A

1008-9446(2017)04-0040-04

2016-12-14

劉立軍(1981-)，男，遼寧朝陽人，講師，碩士，主要從事動態測試與智能儀器、電子技術研究，E-mail:123305063@qq.com。