方案设计与论证
2.1 系统方案设计
本系统主要目标是实现对风扇转速的控制来控制帆板的转角及其它一些相关功能。该系统采用了能支持在线下载的AT89S52单片机。角度传感器采用型号位WDD354D的精密导电塑料电位器，其功能是把角度机械位移量转换成电信号。AD转换电路用的是具有12位分辨率的TLC2543，该芯片将角度传感器输出的模拟信号转换成数字信号，单片机采集数字信号对帆板系统电路进行控制。键盘电路由4*4矩阵键盘组成，用于调节风扇风力大小和帆板转角。用LCD12864作为显示器，来显示帆板的转角。声光提示由发光二极管和蜂鸣器组成。风扇由直流电机控制，容易对转速进行调节。帆板控制系统框图如图2所示。
2.2 系统方案论证
2.2.1 处理器的论证与选择
本系统主要目标是实现对风扇转速的控制来控制帆板的转角及其它一些相关功能。实现题目中的要求既可以采用单片机实现该功能，也可以利用数字电路、模拟电路的相关理论实现该功能。但从整个系统的可靠性、稳定性、电路简化、便于控制等角度考虑，本系统最终采用51单片机作为整个系统的控制中心，实现对整个系统的控制。一个基本的MCS-51单片机通常包括：中央处理器、ROM、RAM、定时/计数器和I/O口等各功能部件，各个功能由内部的总线连接起来，从而实现数据通信。为此我们选用能够支持在线下载的AT89S52单片机作为帆板控制系统的核心电路。
2.2.2 角度传感器的论证与选择
方案1：
使用角度传感器UZZ9000或UZZ9001或KMZ41作为角度信号检测的器件，需使用步进电机驱动，且电路连接复杂，这种传感器在市场上不好购买，所需费用较高。
方案2：
使用WDD35D-4型角度传感器检测帆板所转动的角度。
WDD35D-4型角度传感器是一个5K的精密电位器，输出为模拟信号，旋钮的旋转角度与其电阻值呈线性变化，独立线性度为0.1%，具有360度的机械转角和345度的电气转角，测量角度的最大偏差为0.345度。由于题目要求角度传感器的分辨力为2度，绝对误差小于等于5度，WDD35D-4型角度传感器的主要技术特性能达到题目要求，而且WDD35D-4相对与其它传感器价格低点。实际测试中也符合题目要求。
经过比较，我们选择了方案2。
2.2.3 ADC模数转换器的论证与选择
方案1：
对于帆板控制系统中的传感器，必须对传感器的数据进行采集，A/D转换器的采集精度必须符合电路要求。使用TLC2543 12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I＼O口资源；且价格适中分辨率高。
方案2：
使用ADC0809对角度传感器采集来的信号进行处理，ADC0809为8位逐次逼近式模数转换器，具有转换起停控制端，分辨率为8位基本满足题目的要求难度较大，而且相对于方案1精确度不高。AD转换电路中还接74LAS74作为分频器。使电路相对于方案1复杂。
经过比较选择方案1。
3.硬件设计
3.1 单片机最小系统
该系统是由ATMEL89S52芯片构成单片机最小系统，是帆板控制系统的核心部分，主要对各种信号及信息进行处理，并对电路进行控制。单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。
3.1.1 复位电路
单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态。我们采用按键复位电路，按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。
3.1.2 振荡电路
ATMEL89S52使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。电路中采用30pf的瓷片电容。
3.2 直流电机驱动电路
直流电机驱动电路是用PWM控制，简化了产生多种同步脉宽调制输出的。任务通过控制MOS管的开关来驱动电机转速，可以使其达到不同的转速。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。使用此电路驱动风扇可以调节风扇的转速，达到题目的要求。
3.3 A/D转换及传感器电路
A/D转换及传感器电路中使用TLC2543作为数据的处理电路，将角度传感器采集来的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号，单片机经过处理数字信号将帆板转角角度通过液晶12864显示出来。TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源。帆板控制系统中所用的角度传感器是型号为WDD35D4。当旋转角度传感器的转轴时，其电阻值随之改变，当转轴转动360度后，电阻值与旋转前相等。利用ADC采样将电阻值转换为电压值来判断旋转的角度。
在连接电路中，为了提高系统的稳定性，在+5v与地之间接100UF的电解电容及0.1uf的瓷片电容对电路进行滤波，消除电路中的噪声干扰和信号干扰，使电路更加稳定利于对信号的采集。
3.4 显示电路
电路中我们采用可以显示汉字字符的12864液晶屏，在帆板控制系统中，当手动转动帆板时，12864液晶屏将显示帆板转角度数；在用键盘控制风力大小时，显示帆板转角的实时度数同时显示键盘设置的角度。便于对误差的分析。
3.5 声光提示电路
该电路是由晶体三极管8550驱动的声光提示电路。通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角θ稳定在45度±5度的范围内并由声光提示。
4.软件设计
本系统软件使用c语言编程实现各项功能。风扇控制模块使用PID算法控制风扇转速调节帆板转动角度。软件设计流程如图3所示。
5.系统检测及数据测试
（1）在帆板控制系统的检测和调试过程中，由于电机是+12v的直流电机，转速很快，在风扇转动的过程中风扇负重小而导致不稳定，造成了风力不足吹不起帆板，为此我们将风扇固定在可调带锁的的滑道上，这样在系统工作的过程中，使电机带动的风扇稳定。
（2）调试过程中，对于帆板材质的选择很重要，经过我们不断尝试，采用了硬质塑料板，这样不会被风扇吹的失去重心而导致的测试角度不准确。
（3）测试数据
我们风扇分别固定在距离帆板7cm，10cm，15cm处做三组数据测量，结果如表1-3。
表1-3几组数据表明，系统能稳定工作，并且能在数秒内稳定在键盘设定的角度范围内，同时给出声光报警提示。
6.结论
本系统采用AT89S52单片机为系统控制核心。通过对高精度角度传感器WDD354D测量到的帆板的角度进行AD采样，采用PWM方式对风扇的转速进行控制，调节风扇的风力大小，达到控制帆板转动角度的目的。帆板的转动角度可以实时显示，分辨率达到0.1度。
参考文献
[1]黄志伟.全国大学生电子设计竞赛系列丛书[M].北京航空航天大学出版社，2006.
[2]董少明，付维亚，夏东盛.单片机原理与应用[M].中国铁道出版社，2007.
[3]赵勇，胡涛.传感器与检测技术[M].机械工业出版社，2010.
[4]刘爱华，满宝元.传感器原理与应用技术[M].人民邮电出版社，2010.
[5]吴建平.传感器原理及应用[M].机械工业出版社，2009.1.
作者简介：刘永锋（1981—），男，硕士研究生，山西职业技术学院教师。