【文章內(nèi)容簡介】 利用該方法方便簡單，工作穩(wěn)定可靠。 綜上所述，選擇方案三，采用三端穩(wěn)壓電路。 方案 一、 采 用 WDS35D4 精密導(dǎo)電塑料角位移傳感器 ， 利用 該傳感器的輸入端加上一個直流電壓，在輸出端得到一個直流電壓信號， 把角度位移的機(jī)械位移量轉(zhuǎn)化成電壓信號，用輸出電壓進(jìn)行角度位移的 控制。用此傳感器只要測量導(dǎo)軌電阻兩端的直流電壓， 不同的角度有不同的電阻值，通過電阻來算出角度 ，計算不方便 。 電刷在導(dǎo)軌上移動獲得輸出，數(shù)值越小，精度越高。 該傳感器的優(yōu)點： 對環(huán)境條件要求低，線性精度高、分辨率高、動態(tài)的噪聲小等優(yōu)點 ，由于該傳感器的各項精度都比較精細(xì)使其價格過高 。 方案二、采用電位器進(jìn)行調(diào)角：帆板轉(zhuǎn)動時電位器 跟著轉(zhuǎn)動，電壓隨之發(fā)生變化，通過電壓的值轉(zhuǎn)換成角度值。但扭力過大，而且精度也不高。 方案三 、 采用 MMA7455 三軸加速度傳感器， 利用 物體運(yùn)動和方向改變輸出信號的電壓值 ， 把檢測到的信號傳送給 ATMEGA328 的 AD 轉(zhuǎn)化器進(jìn)行轉(zhuǎn)化與讀取此輸出信號 。 通過不同的角度， X、 Y、 Z 三個方向的加速度 輸出 不同， 將電容值的變化轉(zhuǎn)化為電壓值， 電容值的計算公式是： C=Ae/D，其中 A 是極板的面積，D是極板間的距離， e 是電介質(zhì)常數(shù) ，再 用反正弦函數(shù)把角度算出來，計算比較方便。 該傳感器的優(yōu)點：線性精度高、體積小 、工作可靠、 標(biāo)識清晰、擴(kuò)展性好等優(yōu)點。 綜上所述，選擇 方案三 ，用 MMA7455 三軸加速傳感器 。 方案一、采用 LED 數(shù)碼管顯示。使用數(shù)碼管動態(tài)顯示，由于顯示的內(nèi)容較少 ，給人的視覺沖擊不怎么的舒適， 具有亮度高、工作電壓低功耗小、易于集成、驅(qū)動簡單等優(yōu)點。但在此次設(shè)計中需要設(shè)定的參數(shù)種類多，使用 LED 數(shù)碼管不能完成設(shè)計任務(wù)，不宜采用。 方案二、采用字符型 LCD 顯示?？梢燥@示英文及數(shù)字，利用程序去驅(qū)動液晶 顯示模塊，設(shè)計簡單，且界面美觀舒適，耗電小。 綜上所述，選擇方案二， 用字符型 LCD 進(jìn)行顯示。 7 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 方案一、 采用 電路板 作為帆板。根據(jù)設(shè)計需要的要求，電路板需做成寬：10cm，長： 15cm；在 所擁有的風(fēng)扇下采取電路板作為帆板，很難滿足設(shè)計所需達(dá) 到的角度。 考慮風(fēng)力的大小和自身重力，不宜采用。 方案二、 采用 泡沫 作為帆板。泡沫的體積太輕，很容 易滿足設(shè)計所需要的角度，缺點： 泡沫的穩(wěn)定性不高，干擾成分太多。 考慮不穩(wěn)定性的因素太多此方案不宜采用。 方案三、 采用 鋁板 作為 帆板。經(jīng)過多次實驗：鋁板可以作為帆板使用，能過達(dá)到設(shè)計所需要的要求， 而且鋁板的穩(wěn)定性比較好，抗干擾能力強(qiáng)，受干擾的成分比較小。 綜上所述，選擇方案三，用鋁板作為帆板使用。 系統(tǒng)的組成 經(jīng)過方案比較與論證，最終確定的系統(tǒng)組成框圖如圖 所示。其中的集成電路 ATMEGA328單片機(jī)驅(qū)動液晶顯示模塊、 控制電機(jī)驅(qū)動改變風(fēng)扇風(fēng)力的大小從而改變帆板的角度，角度傳感器把接收到的輸出信號傳送給 ATMEGA328單片機(jī)進(jìn)行處理再更新顯示。 8 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論 文） 圖 系統(tǒng)組成框圖 PID 算法： 由于單片機(jī)的處理速度和 RAM 資源的限制，一般不采用浮點數(shù)運(yùn)算，而將所有參數(shù)全部用整數(shù) ， 運(yùn)算到最后再除以一個 2 的 N 次方數(shù)據(jù)（相當(dāng)于移位），作類似定點數(shù)運(yùn)算，可大大提高運(yùn)算速度，根據(jù)控制精度的不同要求，當(dāng)精度要求很高時，注意保留移位引起的 “ 余數(shù) ” ，做好余數(shù)補(bǔ)償。 遇限消弱積分： 一旦控制變量進(jìn)入飽和區(qū)，將只執(zhí)行削弱積分項的運(yùn)算而停止進(jìn)行增大積分項的運(yùn)算。具體地說，在計算 Ui 時，將判斷上一個時刻的控制量 Ui1 是否已經(jīng)超 出限制范圍，如果已經(jīng)超出，那么將根據(jù)偏差的符號，判斷系統(tǒng)是否在超調(diào)區(qū)域，由此決定是否將相應(yīng)偏差計入積分項 積分分離法： 在基本 PID 控制中，當(dāng)有較大幅度的擾動或大幅度改變給定值時， 由于此時有較大的偏差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，故在積分項的作用下，往往會產(chǎn)生較大的超調(diào)量和長時間的波動。特別是對于溫度、成份等變化緩慢的過程，這一現(xiàn)象將更嚴(yán)重。為此可以采用積分分離措施，即偏差較大的時，取消積分作用；當(dāng)偏差較小時才將積分作用投入。 離散化公式： Δu(t) = q0e(t) + q1e(t 1) + q2e(t2) 當(dāng) |e(t)|≤β 時 q0 = Kp(1+T/Ti+Td/T) q1 = Kp(1+2Td/T) q2 = Kp Td /T 當(dāng) |e(t)|＞ β 時 q0 = Kp(1+Td/T) q1 = Kp(1+2Td/T) q2 = Kp Td /T u(t) = u(t1) + Δu(t) 微分控制對系統(tǒng)性能的影響： 微分作用可以改善動態(tài)特性，Ｔｄ偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較短。Ｔｄ偏小時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長。只有Ｔｄ合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時間 。 由于快速傅立葉變換 FFT 算法設(shè)計大量的浮點運(yùn)算，由于一個浮點占用四個字節(jié)，所以要占用大量的內(nèi)存，同時浮點運(yùn)算時間很慢，所以采用普通的 8 位MCU 一般難以在一定的時間內(nèi)完成運(yùn)算，所以綜合內(nèi)存的大小以及運(yùn)算速度，采用 32 位的單片機(jī) ATMEGA328，它擁有 較大的 RAM，并且時鐘頻率高達(dá) 16M，所 以對于浮點運(yùn)算不論是在速度上還是在內(nèi)存上都能夠很快的處理。 2. 單元電路設(shè)計 風(fēng)扇控制電路 9 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 風(fēng)扇控制電路 主要是由 ATMEGA32 L298 電機(jī)驅(qū)動模塊組成。 L298 電機(jī)驅(qū)動模塊主要由放大電路、 OPAMP 運(yùn)算放大電路 、 電機(jī)驅(qū)動 組成。 用電阻和電容組成高通濾波電路 ，用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在開關(guān)狀態(tài)，通過調(diào)整輸入脈沖的占空比，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。 用 L298 驅(qū)動兩臺直流減速電機(jī)的電路引腳 A,B 分別用PWM 控制。如果電機(jī)運(yùn)動則可將 IN1， IN2 和 IN3， IN4兩對引腳分別接高低電平，僅用單片機(jī)的兩個端口給出 PWM 信號控制 A,B 即可。 特點： 工作電壓高，可以達(dá)到 46V；輸出電流大，瞬間峰值可達(dá) 3A，持續(xù)工作電流 2A；額定功率 25W。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步，兩個脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)的越快 。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，從而控制了風(fēng)扇的風(fēng)力的大小。 L298 電機(jī)驅(qū)動的特點：可以實現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速 、啟動轉(zhuǎn)矩大。 圖 L298 電機(jī)控制電路 角度測量原理 MMA7455 三軸加速傳感器 是檢測物體運(yùn)動和方向的傳感器，它根據(jù)帆板運(yùn)動和方向改變輸出信號的電壓值。當(dāng)帆板 受到風(fēng)扇風(fēng)力 運(yùn)動時，三軸加速傳感器檢測到帆板 運(yùn)動的輸出信號， 把該輸出的電壓值用三角函數(shù)數(shù)出來在把結(jié)果送往 張家界10 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） ATMEGA328 單片機(jī)進(jìn)行處理，通過按鍵控制與液晶顯示屏進(jìn)行顯示。MMA7455 三軸加速傳感器 ：如圖 所示 控制算法 由 ATMEGA328 單片機(jī)組成的數(shù)字控制 系統(tǒng)控制中， PID控制器是通過 PID控制算法實現(xiàn)的。 ATMEGA328 單片機(jī)通過 AD 對信號進(jìn)行采集，變成數(shù)字信號，再在單片機(jī)中通過算法實現(xiàn) PID 運(yùn)算，再通過 DA 把控制量反饋回控制源。從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的伺服控制。 圖 位置式 PID 控制算法的簡化示意圖 A、圖 B。 圖 (A) 11 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 圖 (B) 傳遞函數(shù)為： 時域的傳遞函數(shù)表達(dá)式 ： 對上式中的微分和積分進(jìn)行近似 ： 式中 n是離散點的個數(shù)。 于是傳遞函數(shù)可以簡化為： 其中 12 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3. 軟件設(shè)計 風(fēng)扇控制電路設(shè)計計算 由單片機(jī) ATMEGA328的處理速度和 ram資源的限制，一般不采用浮點數(shù)運(yùn)算，而將 所有參數(shù)全部用整數(shù)，運(yùn)算到最后再除以一個 2的 N次方數(shù)據(jù)（相當(dāng)于移位），作類似定點數(shù)運(yùn)算，可大大提高運(yùn)算速度，根據(jù)控制精度的不同要求，當(dāng)精度要求很高時，注意保留移位引起的 “ 余數(shù) ” ，做好余數(shù)補(bǔ)償。 圖 PID 算法流程圖 13 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 控制算法設(shè)計與實現(xiàn) 由 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下： (1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； (2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； (3)在一定的控制度下通過公式計算得到 PID 控制器的參 數(shù)。將采樣值 PID 通過 算 法 轉(zhuǎn)化為 PWM