【正文】 78。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 13 4. 系統(tǒng)測(cè)試178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 178。178。178。178。178。178。 14 調(diào)試 使用的儀器 與方法 178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 14 結(jié)束語178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 178。178。178。178。178。 15 參考文獻(xiàn)178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 178。178。178。178。 16 附錄 2 電路圖圖紙 178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 178。178。 17 4 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 要求 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)帆板控制系統(tǒng)，通過對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制，調(diào)節(jié)風(fēng)力大小，改 變帆板轉(zhuǎn)角θ，如圖 1 所示。顯示范圍為 0~60176。絕對(duì)誤差≤ 5176。范圍內(nèi)變化，并要求實(shí)時(shí)顯示θ。177。范圍內(nèi)。 發(fā)揮部分 （ 1） 當(dāng)間距 d=10cm 時(shí)，通過鍵盤設(shè)定帆板轉(zhuǎn)角，其范圍為 0~60176。最大誤差的絕對(duì)值不超過 5176。要求θ在 5 秒內(nèi)達(dá)到設(shè)定值，并實(shí)時(shí)顯示θ。 （ 3） 其他。 （ 2） 風(fēng)扇選用臺(tái)式計(jì)算機(jī)散熱風(fēng)扇或其他形式的直流供電軸流風(fēng)扇，但不 能選用帶有自動(dòng)調(diào)速功能的風(fēng)扇。帆板 形式及具體制作尺寸如圖 2 所示。設(shè)計(jì)中采用單片機(jī) PWM 波 電機(jī)控制方式， 使得控制 風(fēng)扇風(fēng)力的大小 ，帆板受到風(fēng)力的大小從而 改變帆板 偏轉(zhuǎn) 的角度 θ ，角度傳感器把檢測(cè)到帆板的偏轉(zhuǎn)角度傳給 ATMEGA48 單片機(jī)進(jìn)行處理 達(dá)到 設(shè)計(jì)所需的要求 再用鍵盤進(jìn)行調(diào)整，用液晶顯示屏進(jìn)行顯示 。 方案一、采用 LM2596 開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，能夠輸出 3A 的輸出電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特 性，固定輸出 、 5V、 12V 經(jīng)過調(diào)整可輸出小于 37V的電壓。用兩片 MC34063 芯片分別將 3V 的電池電壓進(jìn)行直流斬波調(diào)壓，得到 5V 和 12V 的穩(wěn)壓輸出。 方案三 、采用三端穩(wěn)壓集成 7805 與 7824 分別得到 5V 與 24V 的穩(wěn)壓電壓。 綜上所述，選擇方案三，采用三端穩(wěn)壓電路。用此傳感器只要測(cè)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(jì)算不方便 。 該傳感器的優(yōu)點(diǎn)： 對(duì)環(huán)境條件要求低，線性精度高、分辨率高、動(dòng)態(tài)的噪聲小等優(yōu)點(diǎn) ，由于該傳感器的各項(xiàng)精度都比較精細(xì)使其價(jià)格過高 。但扭力過大，而且精度也不高。 通過不同的角度， X、 Y、 Z 三個(gè)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(jì)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(jì)算比較方便。 綜上所述，選擇 方案三 ，用 MMA7455 三軸加速傳感器 。使用數(shù)碼管動(dòng)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(dòng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。 方案二、采用字符型 LCD 顯示。 綜上所述，選擇方案二， 用字符型 LCD 進(jìn)行顯示。根據(jù)設(shè)計(jì)需要的要求，電路板需做成寬：10cm，長(zhǎng)： 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(jì)所需達(dá) 到的角度。 方案二、 采用 泡沫 作為帆板。 考慮不穩(wěn)定性的因素太多此方案不宜采用。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)：鋁板可以作為帆板使用，能過達(dá)到設(shè)計(jì)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。 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。 8 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(diǎn)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(gè) 2 的 N 次方數(shù)據(jù)（相當(dāng)于移位），作類似定點(diǎn)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(shí)，注意保留移位引起的 “ 余數(shù) ” ，做好余數(shù)補(bǔ)償。具體地說，在計(jì)算 Ui 時(shí)，將判斷上一個(gè)時(shí)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(hào)，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(jì)入積分項(xiàng) 積分分離法： 在基本 PID 控制中，當(dāng)有較大幅度的擾動(dòng)或大幅度改變給定值時(shí)， 由于此時(shí)有較大的偏差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，故在積分項(xiàng)的作用下，往往會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)量和長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)。為此可以采用積分分離措施，即偏差較大的時(shí)，取消積分作用；當(dāng)偏差較小時(shí)才將積分作用投入。Ｔｄ偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)。 由于快速傅立葉變換 FFT 算法設(shè)計(jì)大量的浮點(diǎn)運(yùn)算，由于一個(gè)浮點(diǎn)占用四個(gè)字節(jié)，所以要占用大量的內(nèi)存，同時(shí)浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)間很慢，所以采用普通的 8 位MCU 一般難以在一定的時(shí)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(shí)鐘頻率高達(dá) 16M，所 以對(duì)于浮點(diǎn)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。 L298 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要由放大電路、 OPAMP 運(yùn)算放大電路 、 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 組成。 用 L298 驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流減速電機(jī)的電路引腳 A,B 分別用PWM 控制。 特點(diǎn)： 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。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)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。 圖 L298 電機(jī)控制電路 角度測(cè)量原理 MMA7455 三軸加速傳感器 是檢測(cè)物體運(yùn)動(dòng)和方向的傳感器，它根據(jù)帆板運(yùn)動(dòng)和方向改變輸出信號(hào)的電壓值。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(shí)現(xiàn)的。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的伺服控制。 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(jì)（論文） 圖 (B) 傳遞函數(shù)為： 時(shí)域的傳遞函數(shù)表達(dá)式 ： 對(duì)上式中的微分和積分進(jìn)行近似 ： 式中 n是離散點(diǎn)的個(gè)數(shù)。 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(jì)（論文） 控制算法設(shè)計(jì)與實(shí)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。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(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。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(gè)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(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)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(jì)算得到 PID 控制器的參 數(shù)。 按鍵模塊一共 5 個(gè)按鍵，其中一個(gè)是單片機(jī)復(fù)位按鍵（ PC6），還有 4 個(gè)功能鍵，分別為： 1 號(hào)鍵（對(duì) 3個(gè)功能進(jìn)行切換）、 2 號(hào)鍵（確定功能并且確定微調(diào)值）、3號(hào)鍵（減號(hào)鍵）、 4號(hào)鍵（加號(hào)鍵）。）； 2 號(hào)功能（設(shè)定帆板角度）； 3號(hào)功能（長(zhǎng)按 2 號(hào)鍵進(jìn)行自校準(zhǔn)） 。 volatile unsigned char Function_