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基于AVR单片机的风力摆控制系统研究
作者：孙畅 付超
来源：《科技传播》2015年第17期
摘 要 介绍一种基于ATmega16单片机控制的风力摆控制系统的硬件和软件设计方法，该系统由Atmega16单片机控制模块、角度传感器采集模块、液晶显示模块、三个风力摆组成模块、电机驱动模块AQMH2407、按键控制模块以及风力摆机械结构组成的闭环控制系统。SCA60C角度传感器检测风力摆摆动角度，单片机Atmega16将采集到摆动角度通过PID精确算法调节产生相位可调PWM方波控制直流风机的转速，同时由12864液晶显示风力摆的角度和响应时间。本系统实现了直流风机是驱动风力摆的唯一动力，具有快速起摆、快速恢复静止、画线、画圆的功能。
关键词 ATmega16；电机驱动模块；角度传感器；PID算法
中图分类号 TM3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2015）146-0128-02 1 控制系统总体构成
本风力摆控制系统由Atmega16单片机控制模块、角度传感器采集模块、液晶显示模块、三个风力摆组成模块、电机驱动模块AQMH2407、按键控制模块以及风力摆机械结构组成的闭环控制系统。风力摆由万向节连接碳素杆再连接风机组成。两片SCA60C角度传感器放在碳素杆上检测风力摆摆动角度，单片机Atmega16将采集到摆动角度通过PID精确算法调节产生相位可调PWM方波控制直流风机的转速。本系统结构框图如图1 所示。 图1 系统结构框图
2 控制系统硬件组成与实现设计 2.1 系统主控制模块
采用ATmega16为控制核心。采用Atmega16芯片为控制核心。该芯片具有高性能、低功耗以及运算速度快等特点，拥有8位AVR微处理器，32个8位通用工作寄存器，全静态工作，16KB的系统内可编程Flash，内存量大，还拥有上电复位以及可编程的掉电检测功能，支持扩展的片内调试功能，32个可编程I/O口，而且功耗小。 2.2 系统驱动模块
采用专用的电机驱动芯片，例如L298N、L297N、AQMH2407等电机驱动芯片，由于它内部已经考虑到了电路的抗干扰能力、安全、可靠性，因此我们在应用时只需考虑到芯片的硬
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件连接、驱动能力等问题就可以。由于风力摆需要的风力较大，所以需要电流较大的电机驱动芯片，因此不选择L298N和L297N，电机驱动模块选用AQMH2407。 2.3 电机的速度控制和算法的选择
为了达到对速度的控制要求，采用脉宽调制方式（PWM）从I/O口输出不同占空比的脉冲，经滤波后获得不同高低电平控制电机，且控制简单易实现、速度快、精度高。 采用PID算法，按比例、积分、微分的函数关系，进行运算，将其运算结果用以输出控制。优点是控制精度高，且算法简单明了。对系统的控制精确，节约了单片机的资源和运算时间。
2.4 风力摆控制方案
采用2只0.8A轴流风机和1只自制直流风机，自制风机可以解决轴流风机无法反转的问题，两个轴流风机对向而立，自制直流风机放在轴流风机之间，即可以是激光笔画出直线也可以画圆，自旋少。 3 控制系统软件设计 3.1 PID算法的设计与实现
本系统采用PID算法来控制风机转动的速度。风机开始工作后，角度传感器采集当前风力摆角状态，并与之前的状态比较，使得风力摆的运动状态逐渐趋向于平稳。PID算法控制器由舵机转动角度比例P、角度误差积分I和角度微分D组成。其输入e（t）与输出U（t）的关系为：
它的传递函数为：
风力摆转动角度比例P：对风力摆角速度进行比例调整，即对舵机转动速度调整。比例越大，调节速度越快。但不能过大，过大可能造成四风机因工作状态突变而是摆杆不稳定。 角度误差积分I：使系统消除稳态误差，提高无差度。加入积分调节可使系 统稳定性下降，动态响应变慢。本系统追求更快更稳完成对风力摆的控制，因此，本系统对积分调节的需要就非常弱。 即保证在不需要时系统不会受到影响。
角度微分D：微分作用反映风力摆角度的变化率，即角速度。具有预见性，能预见偏差变化的趋势因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，减少调节时间。 3.2 系统程序流程
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本系统采用4个独立按键输入各参数及测试模式，系统开机启动进入初始化阶段，按下指定按键后进入选择界面，选择界面有6个功能，分别实现快速起摆、快速恢复静止、画线、画圆的功能，通过按键可以选择进入相应的功能，功能执行完毕后系统回到菜单选择界面，继续等待按键输入执行相应的功能。 4 控制系统的计算与分析 4.1 风力摆状态的测量和计算
SCA60C是一款低成本单轴倾角（加速度）传感器，可以测量垂直Z轴方向的加速度值，测量范围±1g。将2片SCA60C水平固定在平衡板上，放在万向节下方固定在摆杆上，达到实时检测平衡板倾角的目的。系统可以键盘预置倾斜角度，实时显示角度值。
当直流电机带动平衡板倾斜到使角度传感器SCA60C处于水平位置时，Vo端输出+0.5V的模拟电压。传感器SCA60C仅可精确检测到0～90度的角度范围，当平衡板转到使角度传感器与水平面成90度的角度时，此时Vo端输出+5V的模拟电压。在0～90度的倾角范围内，Vo端输出的是正比于倾角大小的+0.5～+5V的模拟电压信号，当平衡板转动到使角度传感器与水平面间的角度从90度到180度的范围变化时，输出端Vo输出的是从+5V依次变化到+0.5V的模拟电压信号，因此通过测定传感器SCA60C输出端Vo电压的大小即可确定平衡板与水平面的夹角。
本文主要针对风力摆控制系统的应用设计了一种直流风机控制系统，以ATmega16单片机为主控芯片，采用AQMH2407为驱动元件，通过硬件和软件整体设计制作了一套结构完整，功能模块化，反应灵敏的风力摆控制系统，实现了直流风机是驱动风力摆的唯一动力，具有快速起摆、快速恢复静止、画线、画圆的功能，效果较好，运行稳定性好。 参考文献
[1]刘治满.AVR单片机（C语言）项目开发实践教程[M].北京：人民邮电出版社，2015. [2]彭伟.单片机C语言程序设计实训100例[M].北京：北京航天航空大学出版社，2012. [3]叶贞贞.角度传感器简单应用系统[J].科技致富向导，2010（15）.