基于STC15W408AS的风力帆板控制系统

摘要：本文所设计出的风力帆板控制系统是基于STC15W408AS单片机为控制核心，利用PWM信号驱动舵机推动风扇转动的。通过MPU-6050角度检测系统对帆板进行实时监测，使用语音模块WTN6040对偏转角度进行提示，并设计4个控制按键对帆板的偏转角进行准确校正。相较于传统的风力帆板设计，本系统具有设计简单，便于操作，运行可靠等优点。

关键词：STC15W408AS；风力帆板；MPU-6050；偏转角

引言

本文中所论述的是对风力帆板控制系统的设计，这一课题来自于2011年全国大学生电子设计大赛。虽然大赛早已落幕，但研究该控制系统依然对我们获益良多。本文中的设计系统主要包含主控模块、驱动模块、角度监测模块和语音提示模块。由于系统无需AD转换模块，因此本系统电路非常简单。 1 风力帆板控制系统的设计

1.1 风力帆板控制系统的设计要求

（1）通过控制键盘控制风力大小，使帆板转角θ能够在 0~50°范围内变化，并要求辉光显示器实时显示θ。

（2）通过控制键盘控制风力大小，使帆板转角θ稳定在 45°±2°范围内。并通过辉光显示器实时显示θ。

（3）当帆板的偏转角偏转到一定程度时，通过语音模块WTN6040对偏转角度进行提示[1]。

1.2 风力帆板控制系统设计的验证 1.2.1单片机主控制模块

由于本系统有反馈控制，对实时性要求比较高，另外，考虑到系统会用到控制算法，需要CPU处理速度和运算能力相对比较高。采用STC15W408AS作为主控芯片，该单片机自带硬件PWM模块、ADC模块和比较器模块，主频35MHZ,无需外部晶振和复位电路，接好VCC和GND就可以工作[2]。

图2 风力帆板设计系统框图 1.2.2 电机及驱动模块

电机驱动模块由一块42步进电机和一块驱动器组成，所谓步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机。由于步进电机没有累积误差，且具有精度高、快速起停、正反转控制等优点，被广泛运用在微机实验中。 1.2.3 传感器模块

角度测量模块主要由MPU-6050组成，它已数字输出的旋转、欧拉角格式的整合，形成了3600全感测量范围，减少了大量的封装空间，且应用较为方便。由于MPU-6050集成程度比较高，且能够稳定输出角度值，故可以不再设计外围电路[3]。 2 风力帆板的电路设计 2.1 辉光显示器的电路设计

图3 辉光显示器电路图

如上图3所示，辉光显示器的基本工作原理与数码管相似，但相比于数码管而言，辉光管的显示清晰度更高，但辉光管需要50V的工作电压，因此本文中使用BOOST升压系统对辉光管进行升压。输入5V的电压时，升压系统中的MOS管闭合，电容和电感进行储能，当电容和电感的所存储的电压达到一定额度时，MOS管断开，肖特基二极管具有正向导通，反向截止的功能，因而电压正向输入，从而达到50V的电压。 2.2 键盘电路

由于该帆板设计的控制功能并不多，本文共使用了4个控制按键对风力帆板进行控制。按下SW1控制按键，表示开通电源，风扇开始正常工作。SW2和SW3表示对帆板偏转角的正反控制，根据按键次数的不同，调节的角度也不同。本设计中还特别设置了复位按键SW4，用来清除程序中的错误代码。 2.3角度测量模块电路设计

角度测量模块主要由MPU6050组成，由于MPU6050集成程度比较高，且能够稳定输出角度值，故可以不再设计外围电路[5]。 3 风力帆板的程序设计

该控制系统采用C语言编程。因为C语言的运算能力较强，所以利用C语言编程具有一定的优势。 在模式选择上，用键盘响应引发中断，将模式切换视为中断程序。通过子程序使风力帆板能够完成各项任务。同时使用PID算法进行调节，使帆板的响应加快。 4 测试方法与结果

将风扇置于测量点，通电准备测试。通过控制风力大小，使帆板转角θ能够在0~50°范围内变化，并要求实时显示θ的测试。通过按键调节占空比PWM，使PWM逐渐增大观察显示屏上度数的变化，当PWM逐渐增大时帆板角度逐渐加大，最终达到了50度实现此功能。 表1：帆板转角记录表

通过按键将角度调节到45度，之后按启动按键，同时用秒表计时，按下启动开关后，PWM瞬间增大，风扇加速，最后帆板稳定在45度左右，并发出了语音报警且调节时间大约为3秒，此功能完成。 参考文献

[1]宋艳,王进.帆板控制系统设计.常州信息职业技术学院学报,2012. [2]刘永锋.高精度帆板控制系统的设计.电子世界,2013.

[3]姜丹丹,李桂成.一种帆板控制系统的设计实现,中外企业家,2016.

[4]张晓艳.基于AVR单片机的帆板控制系统设计.天津职业大学学报,2012.

[5]丁力,宋志平,徐萌萌,陶灿辉.基于STM32的嵌入式测控系统设计.中南大学学报,2013.

[6]全国大学生电子设计竞赛组委会.第九届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编.北京：北京理工大学出版社,2013

作者简介：张哲（1997.01-）男，江苏徐州人，本科在读生，研究方向：电气自动化。