摘要 系統采用單片機(STC89C54RD)作為主要控制器件，采用HEDS9701槽型光耦加360線光柵片組成的編碼器獲取帆板的角度信息，由單片機實時采集編碼器的正交信號，從而獲得實際角度。根據實際角度和目標角度數值，通過PID算法獲得控制參量，調整PWM的參數，從而控制風扇轉速，實現對帆板的角度修正和動態(tài)控制。
關鍵詞 單片機；角度控制；PID

    帆板控制系統，通過對風扇轉速的控制，調節(jié)風力大小，改變遮風板轉角θ，顯示范圍為0°～60°，分辨力為2°，絕對誤差≤5°；當間距d=7～15 cm時，通過操作鍵盤控制風力大小，控制帆板轉角θ，θ在0°～60°，要求控制過程在5s內完成，并實時顯示，且有聲光提示。如圖1所示。

1 總體方案確定
    帆板控制系統總體框圖主要由單片機、角度信息采集模塊、鍵盤輸入模塊、顯示模塊、電機驅動模塊以及電源模塊構成。系統設計總體框圖如圖2所示。

    (1)角度信息采集模塊：采用HEDS9701槽型光耦加360線光柵片組成的編碼器獲取帆板的角度信息，分辨率為1°，符合設計要求，且已經是數字信號，無需通過A／D采用模塊輸入單片機系統，穩(wěn)定可靠。
    (2)電機驅動模塊：選用直流電機風扇，工作電流1．2 A，工作電壓12 V。經測試，風力能將帆板吹至約80°。采用單片機STC89C54作為主控芯片，通過編碼器輸出的正交信號可以實現直流電機的正反轉控制，通過PWM方式控制風扇轉速，從而實現對帆板的角度控制。
    (3)控制系統的選擇：選用STC89C54作為主控器件，STC系列單片機是紅星科技生產的單時鐘、機器周期(IT)單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051。

2 理論分析與計算
2．1 角度信號的產生與計算
    角度通過編碼器輸出的正交信號進行計算獲得。如圖3所示，A、B分別是傳感器輸出的兩路正交信號。

    如表1所示，正交信號A和B共同組成了4種情況，如當前A為1；B為0時；信號變?yōu)锳為0；B為0，則帆板往反方向轉，角度減少1°；信號變?yōu)锳為0，B為1，則帆板往正方向轉，角度增加1°；以此類推，正反方向各共有4種情況。
2．2 PID控制直流電機算法介紹
    設計采用PI轉速控制，PI控制實現采用常規(guī)方法，并包含了一個(Kc*Excess)項以抑制積分飽和，如圖4所示。

    相應程序為
   

3 硬件電路設計
3．1 電源模塊
    采用開關電源12 V作為直流電源，經過電容濾波、7805穩(wěn)壓后得到+5 V電壓，提供給單片機、存儲器24C02的供電，如圖5所示。

3．2 風扇控制電路
    圖6為風扇控制電路，FS-和+12 V接風扇，當P23為0時，Q2截止，Q1導通，電機運轉。當P23為1時，Q2導通，Q1截止，電機不運轉。

3．3 顯示按鍵電路
    如圖7所示，系統由兩組4位共陰數碼管和4個按鍵組成，DPY1顯示測得的角度，DPY2顯示設定或改變的角度。4個按鍵分別為設定鍵，啟動／停止鍵，-1鍵和+1鍵。74LS145為4線-10線譯碼器／驅動器，A、B、C、D連單片機P00～P03，0～9分別連接兩組數碼管、鍵盤和發(fā)光二極管，其中數碼管的位控制和按鍵是共用的。74HC164是串行并出移位寄存器，提供接數碼管的段碼信號。

4 軟件部分
    總程序流程圖如圖8所示，程序采用模塊化設計，分成幾部分的獨立子程序。首先是按鍵判斷子程序，采用矩陣式按鍵的掃描方式來編寫程序，當有鍵按下時把相應的鍵值存儲在RAM中，主程序根據鍵值來判斷執(zhí)行哪一段程序。設定數據有兩種，一種是設定P值0～100％，對應帆板的角度，另外一種是設定A在0°～60°，同樣，帆板的轉角也會到達相應的設定值，然后進行數據顯示處理，然后調整PI值進行風扇轉速控制輸出，如果帆板進入設定值的絕對值5°內，則紅色發(fā)光二極管閃亮3次，同時蜂鳴器響3下；如果沒有進入，則發(fā)光二極管不亮、蜂鳴器不響。

    T0中斷是數據顯示和按鍵檢測、PWM數據處理、蜂鳴器輸出程序。如圖9所示。

    T1中斷是正交編碼器信號檢測和處理程序，如圖10所示。

    T2中斷產生PWM，脈寬調整。如圖11所示。

5 系統調試與測試結果
    (1)用手轉動帆板，能顯示帆板的轉角度數。角度范圍為0°～60°，分辨力為1°，經測試系統誤差值為0°。(2)當間距d=7～15 cm時，通過操作鍵盤控制風力大小，控制帆板轉角θ，θ在0°～60°，要求控制過程在5 s內完成，并實時顯示，且有聲光提示。

6 結束語
    經測試，系統性能達到了設計要求，帆板角度控制屬于自動化控制類，設計采用槽型光耦加360線光柵片組成的傳感器能精確定位角度，是一種良好的角度控制傳感器，再利用PID算法控制PWM參量，從而控制風扇的轉速。