帆板控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書電子信息工程 系 12 屆 應(yīng)用電子技術(shù) 專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目帆板控制系統(tǒng)課題內(nèi)容性質(zhì)理論研究課題來源性質(zhì)教師收集的結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際的課題論文校內(nèi)（外）指導(dǎo)教師職 稱工作單位及部門聯(lián)系方式藺 鵬副教授電子信息工程系l一、題目說明（目的和意義）：本系統(tǒng)仿真帆板控制系統(tǒng)。能夠手動(dòng)控制風(fēng)扇吹動(dòng)風(fēng)帆達(dá)到要求角度并能實(shí)時(shí)顯示角度；通過預(yù)先設(shè)定角度控制風(fēng)扇吹動(dòng)風(fēng)帆達(dá)到要求角度并能實(shí)時(shí)顯示角度；對(duì)風(fēng)帆達(dá)到某個(gè)角度后具有聲光報(bào)警功能。通過本題目的研究和設(shè)計(jì)，使學(xué)生能夠?qū)纹瑱C(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法包括總體方案論證，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟

2、件設(shè)計(jì)有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)。一、任務(wù)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，如圖1 所示。調(diào)節(jié)裝置鍵盤數(shù)字顯示角度檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)速控制風(fēng)扇風(fēng)力d圖1 帆板控制系統(tǒng)示意圖二、要求1、基本要求（1）用手轉(zhuǎn)動(dòng)帆板時(shí)，能夠數(shù)字顯示帆板的轉(zhuǎn)角。顯示范圍為060，分辨力為2，絕對(duì)誤差5。（2）當(dāng)間距d=10cm時(shí)，通過操作鍵盤控制風(fēng)力大小，使帆板轉(zhuǎn)角能夠在060范圍內(nèi)變化，并要求實(shí)時(shí)顯示。（3）當(dāng)間距d=10cm時(shí)，通過操作鍵盤控制風(fēng)力大小，使帆板轉(zhuǎn)角穩(wěn)定在455范圍內(nèi)。要求控制過程在10秒內(nèi)完成，實(shí)時(shí)顯示，并有聲光提示，以便進(jìn)行測(cè)試。2、發(fā)揮部分（1）當(dāng)間距d=10cm 時(shí)

3、，通過鍵盤設(shè)定帆板轉(zhuǎn)角，其范圍為060。要求在5秒內(nèi)達(dá)到設(shè)定值，并實(shí)時(shí)顯示。最大誤差的絕對(duì)值不超過5。（2）間距d 在715cm范圍內(nèi)任意選擇，通過鍵盤設(shè)定帆板轉(zhuǎn)角，范圍為060。要求在5秒內(nèi)達(dá)到設(shè)定值，并實(shí)時(shí)顯示。最大誤差的絕對(duì)值不超過5。（3）其他摘 要本系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)風(fēng)扇風(fēng)速來實(shí)現(xiàn)對(duì)帆板轉(zhuǎn)角的控制，使帆板的轉(zhuǎn)角能夠隨風(fēng)速變化，并且能快速達(dá)到設(shè)定角度并保持穩(wěn)定。主要是以stc89c52rc單片機(jī)為主控核心，通過鍵盤設(shè)定帆板角度，再由a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送至單片機(jī)處理后使系統(tǒng)自動(dòng)達(dá)到設(shè)定的角度，最后由液晶顯示器來顯示系統(tǒng)的所有信息。單片機(jī)輸出pwm脈沖來控制風(fēng)扇的風(fēng)速，通過角度傳感器測(cè)量帆板的

4、旋轉(zhuǎn)角度并反饋至單片機(jī)，采用pid控制算法，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確控制，然后微調(diào)風(fēng)速的大小使帆板角度達(dá)到設(shè)定值并穩(wěn)定。并且在達(dá)到設(shè)定范圍時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警提示。通過調(diào)試，使各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，使最終轉(zhuǎn)角絕對(duì)值誤差不超過5。關(guān)鍵字：stc89c52rc； 液晶顯示； 角度傳感器； pid算法； a/d轉(zhuǎn)換器abstractthe system through the adjustment to achieve the board fan speed control of the angle, make the board of the angle change with the wind speed

5、, and can quickly reach a set angle and remain stable main stc89c52 microcontroller as the controller is core the keyboard set the board angle, and then by the a/d converter conversion of data sent to the scm processing system after the angel of automatic reach a set, and finally by lcd monitor to s

6、how all of the information system single chip microcomputer to control pwm pulse output the fans wind speed, through the measurement of angle sensor board rotation angle and feedback to the single chip microcomputer, pid control algorithm, make accurate control system, and the size of the board to f

7、ine-tune wind speed to set data and stable angle. and in reach a set range for sound and light alarm prompt. through the debugging, make various performance indicators are to meet the design requirements, make the final angle absolute value error is no more than 5 .key word: stc89c52rc, liquid cryst

8、al display, angle sensor, pid algorithm , a/d converter 目 錄1方案論證與選擇11.1 系統(tǒng)的基本組成11.2 各模塊方案論證與選擇11.2.1 主控制器選擇及論證11.2.2 角度監(jiān)測(cè)方案比較21.2.3 風(fēng)扇控制方案31.2.4 驅(qū)動(dòng)模塊的選擇31.2.5 顯示模塊的選擇41.2.6 電源模塊的選擇41.2.7 a/d轉(zhuǎn)換模塊的選擇41.2.8 語(yǔ)音播放模塊51.3 系統(tǒng)各模塊的最終方案52系統(tǒng)理論分析與計(jì)算62.1 角度測(cè)量原理63硬件電路的設(shè)計(jì)73.1系統(tǒng)硬件的基本組成73.2 各部分硬件電路模塊設(shè)計(jì)73.2.1 主控制電路模塊設(shè)

9、計(jì)73.2.2 角度監(jiān)測(cè)模塊電路的設(shè)計(jì)83.2.3 a/d轉(zhuǎn)換模塊電路的設(shè)計(jì)93.2.4 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)模塊電路的設(shè)計(jì)93.2.5 鍵盤控制模塊電路的設(shè)計(jì)93.2.6 lcd顯示模塊電路的設(shè)計(jì)103.2.7 聲光提示模塊電路的設(shè)計(jì)103.2.8 語(yǔ)音播放模塊電路的設(shè)計(jì)103.2.9 電源控制模塊電路的設(shè)計(jì)114 .軟件設(shè)計(jì)124.1 控制算法124.1.1 定頻調(diào)寬法124.1.2 積分分離算法124.1.3 遇限削弱積分算法134.2 程序設(shè)計(jì)思路圖134.3 系統(tǒng)軟件主流程圖135 系統(tǒng)測(cè)試儀器15總 結(jié)16致 謝17參考文獻(xiàn)18附錄119附錄2191方案論證與選擇1.1 系統(tǒng)的基本組成題目要求

10、設(shè)計(jì)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。根據(jù)題目要求,本系統(tǒng)可以分為控制部分、信號(hào)檢測(cè)部分和電源部分?？刂撇糠謩t包括顯示模塊、按鍵模塊、聲光報(bào)警模塊、風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)模塊四個(gè)基本部分。信號(hào)檢測(cè)部分為角度測(cè)量模塊（測(cè)量帆板的角度）、a/d轉(zhuǎn)換模塊。電源部分則給各部分提供電源，系統(tǒng)圖如圖1.1所示： 圖1.1系統(tǒng)總框圖 1.2 各模塊方案論證與選擇1.2.1 主控制器選擇及論證方案一：采用fpga（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）作為系統(tǒng)的控制器；將所有的器件集成在一塊芯片上，這樣外圍電路較少，控制板的體積小，穩(wěn)定性高，擴(kuò)展性能好；而且fpga采用并行的輸入/輸出方式，系統(tǒng)處理速度快

11、，再加上fpga有方便的開發(fā)環(huán)境和豐富的開發(fā)工具等資源可利用，易于調(diào)試；但是fpga得成本偏高，算術(shù)運(yùn)算能力不強(qiáng)，而本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)會(huì)用到較多算術(shù)運(yùn)算，所以fpga的高速處理的優(yōu)勢(shì)得不到充分體現(xiàn)。方案二：采用dsp作為控制器。dsp具有強(qiáng)大的控制和信號(hào)處理能力，片內(nèi)具有快速ram和flash。其次有接口方便、編程方便、穩(wěn)定性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)。本題主要利用處理器控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，數(shù)據(jù)處理方面要求不高。 方案三：采用atmel公司的89系列的單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器。單片機(jī)控制功能強(qiáng)，軟件編程靈活，可用軟件較簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)邏輯控制，并且其成本低，體積小和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，使其在各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛；另外，在本設(shè)

12、計(jì)數(shù)據(jù)量不大的情況下完全可以完成風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制。綜合比較，本系統(tǒng)采用方案三。1.2.2 角度監(jiān)測(cè)方案比較方案一：采用角度傳感器監(jiān)測(cè)。角度傳感器syd35d4線性度為1%，旋轉(zhuǎn)扭矩為，分辨率高，最為關(guān)鍵的是它采用滾珠軸承的機(jī)械結(jié)構(gòu)方便與帆板軸承相結(jié)合測(cè)量角度。syd35d4 有機(jī)械壽命長(zhǎng)，分辨率高，轉(zhuǎn)動(dòng)順滑，動(dòng)態(tài)噪聲小的優(yōu)良性能。且該方案實(shí)現(xiàn)較易。方案二：采用傾角傳感器監(jiān)測(cè)。傾角傳感器通常可以同時(shí)監(jiān)測(cè)x軸、y軸兩個(gè)方向的傾斜角度，能夠精確測(cè)量、跟蹤傾斜角的大小和變化。但是測(cè)量角度時(shí)需要將傾角傳感器安裝在帆板上，增加了整個(gè)帆板裝置的重量，同時(shí)傾角傳感器的精度較高，測(cè)量時(shí)會(huì)將噪聲信號(hào)帶入控制系統(tǒng)，影

13、響角度測(cè)量的精度。方案三：采用mma7260重力加速度傳感器，由于加速度傳感器在靜止放置時(shí)受到重力作用，因此會(huì)有1g的重力加速度。利用這個(gè)性質(zhì)，通過測(cè)量重力加速度在加速度傳感器的x軸和y軸上的分量，可以計(jì)算出其在垂直平面上的傾斜角度。根據(jù)如圖1.2所示，有ax=gsin，ay=gcos。則=tan即 =arctan().這樣，根據(jù)以上原理一個(gè)2 軸加速度傳感器可以測(cè)量在x-y 平面上的傾斜角度。該方案原理簡(jiǎn)單，操作方便，但使用起來運(yùn)算量較大，程序較為復(fù)雜，對(duì)于單片機(jī)來說，處理時(shí)太慢且復(fù)雜。圖1.2 加速度傳感器角度測(cè)量原理綜合比較，本系統(tǒng)采用方案一。1.2.3 風(fēng)扇控制方案方案一：改變勵(lì)磁電流

14、調(diào)速。在這種調(diào)速方法中，隨著電動(dòng)機(jī)磁通的減小，轉(zhuǎn)矩相應(yīng)地降低。通常只有在電動(dòng)機(jī)基速以上調(diào)速時(shí)才采用這種調(diào)速方法。 方案二：改變電樞回路電阻調(diào)速。這種調(diào)速方法為有級(jí)調(diào)速，轉(zhuǎn)速變化率大，輕載下很難得到低速，效率低，故這種調(diào)速方法很少使用。方案三：采用pwm調(diào)速。pwm技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字方式控制模擬信號(hào)。它的開關(guān)頻率較高，快速響應(yīng)特性好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，產(chǎn)生的數(shù)字脈沖信號(hào)穩(wěn)定可靠。通過選用定頻調(diào)寬法容易用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇風(fēng)速穩(wěn)定、均勻的控制。綜合比較，本系統(tǒng)采用方案三。1.2.4 驅(qū)動(dòng)模塊的選擇方案一：采用uln2803在輸入5v工作電壓下可最大驅(qū)動(dòng)電壓50v、電流650ma的負(fù)載，風(fēng)扇運(yùn)行起來穩(wěn)定，可

15、靠性強(qiáng)。因此可選用uln2803構(gòu)成風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路。方案二：采用l298n驅(qū)動(dòng)芯片。l298n芯片是較常用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片有兩個(gè)ttl/cmos 兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性能，可用單片機(jī)的i/o口提供信號(hào)，其輸出的pwm 脈沖控制直流電機(jī)，能夠?qū)﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)速的上升與下降進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)，保證調(diào)節(jié)過程中本身對(duì)風(fēng)扇的影響最低，但是l298n的發(fā)熱太快不能長(zhǎng)時(shí)間工作。方案三：采用大功率三極管，二極管，電阻電容等元件。用上述元件搭建兩個(gè)h橋，通過對(duì)各路信號(hào)放大來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，原理簡(jiǎn)單。但由于放大電路很難做到完全一致，當(dāng)電機(jī)的功率較大時(shí)運(yùn)行起來會(huì)不穩(wěn)定，很難精確控制。 綜合比較，本系統(tǒng)采用方案一。1.2

16、.5 顯示模塊的選擇方案一：用led 顯示，優(yōu)點(diǎn)亮度高、成本低，易于單片機(jī)編程，但是顯示時(shí)占用i/o口多，顯示信息量不足。方案二：采用lcd_12864 液晶顯示，功耗低、無(wú)輻射顯示穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，編程控制簡(jiǎn)單，使用方便，顯示信息能力強(qiáng)等特點(diǎn)，且分行顯示能夠清晰的看清系統(tǒng)所運(yùn)行的所有信息。方案三：采用lcd-1602液晶顯示，其顯示是采用背光照亮，對(duì)人眼損害很弱，再次lcd又是一種節(jié)能燈，功耗小，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，不需要外加蕊片組合，可以直接與單片機(jī)連接。單片機(jī)可以通過軟件編程，來實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶的顯示的控制與設(shè)定。使用起來十分方便，但是此系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯示的內(nèi)容較多，用lcd1602顯示不完整?？紤]

17、到本設(shè)計(jì)的要求，我們選擇方案二。1.2.6 電源模塊的選擇使用交流電220v供電，搭建獨(dú)立電源模塊，經(jīng)變壓器變壓后，再用7812、7805芯片進(jìn)行穩(wěn)壓。5v電源為單片機(jī)及其他傳感器、顯示屏等模塊供電。使用220v交流電不僅能保證電量充足，而且相對(duì)于干電池有恒定的電壓和電流。容易完成本設(shè)計(jì)的要求。所以我們采用此方案。1.2.7 a/d轉(zhuǎn)換模塊的選擇方案一：tlc1543美國(guó)ti司生產(chǎn)的多通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。采用串行通信接口，具有輸入通道多、性價(jià)比高、易于和單片機(jī)接口的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ,但其ad轉(zhuǎn)換精度不能滿足該系統(tǒng)對(duì)帆板角度的準(zhǔn)確測(cè)量。方案二：采用8位的a/d轉(zhuǎn)換器max1

18、113構(gòu)成a/d轉(zhuǎn)換電路。采用單一的5v電源供電，性價(jià)比高、易于與單片機(jī)接口連接，但是我們對(duì)此芯片原理不夠熟悉。方案三：adc0804是屬于連續(xù)漸進(jìn)式（successive approximation method）的a/d轉(zhuǎn)換器，它是8位，即分辨率為1/256，轉(zhuǎn)換值介于0255之間，采用單一的5v電源供電。這類型的a/d轉(zhuǎn)換器除了轉(zhuǎn)換速度快（幾十至幾百us）、分辨率高外，還有價(jià)錢便宜的優(yōu)點(diǎn)，普遍被應(yīng)用于微電腦的接口設(shè)計(jì)上。根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求和我們對(duì)芯片的熟悉程度，我們最終選用了方案三。1.2.8 語(yǔ)音播放模塊方案一：采用zy1420a語(yǔ)音模塊。zy1420a內(nèi)部使用isd1420作為主控芯片

19、,雖然它實(shí)現(xiàn)的聲音較好，但外圍電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)的要求高，價(jià)格昂貴，性價(jià)比不高，對(duì)工業(yè)來說，不利于產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)。方案二：采用apr9600語(yǔ)音錄放集成電路。這是一種永久記憶型語(yǔ)音錄放電路，可重復(fù)錄放10萬(wàn)次。該芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)專利技術(shù)，單片電路可錄放3260秒，串行控制時(shí)可分256段以上，并行控制時(shí)最大可分8段。具有價(jià)格便宜、多種手動(dòng)控制方式、分段管理方便、多段控制時(shí)電路簡(jiǎn)單、采樣速度及錄放音時(shí)間可調(diào)、每個(gè)單鍵均有開始停止循環(huán)多種功能等特點(diǎn)。完全可以滿足題目要求。根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，我們最終選用了方案二。1.3 系統(tǒng)各模塊的最終方案經(jīng)過仔細(xì)分析和論證,決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下：

20、（1）控制器方案：采用stc89c52單片機(jī)控制。（2）電源方案：采用變壓器降壓、三端穩(wěn)壓器7805、7812穩(wěn)壓后給整個(gè)系統(tǒng)提供恒定的電壓與電流。（3）風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)方案：采用uln2803芯片來做驅(qū)動(dòng)電路。（4）角度測(cè)量方案：由syd35d4角度傳感器和adc0804構(gòu)成角度測(cè)量電路。（5）數(shù)字顯示方案：采用lcd12864液晶顯示。（6）鍵盤模塊設(shè)計(jì)方案：4個(gè)獨(dú)立按鍵。此外，聲光提示模塊使用高亮度的led和蜂鳴器，語(yǔ)音模塊使用apr9600語(yǔ)音播報(bào)模塊，使人們能夠清晰的知道角度的位置所在。單片機(jī)stc89c52主要用于控制風(fēng)扇速度、角度傳感器數(shù)據(jù)處理并與用戶進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)了帆板角度計(jì)算、風(fēng)力大

21、小控制和帆板角度值設(shè)定并穩(wěn)定角度、最終進(jìn)行聲光提示、語(yǔ)音播報(bào)等功能。2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1 角度測(cè)量原理角度傳感器的內(nèi)部可看作是一個(gè)電位器。當(dāng)它工作時(shí)，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角度和電位器的電阻值滿足函數(shù)關(guān)系式，然后將電阻和角度的關(guān)系轉(zhuǎn)換成電壓和電阻的關(guān)系，再通過a/d轉(zhuǎn)換器得到電壓數(shù)字量，即得到電壓數(shù)字量與角度的關(guān)系式，最后列出與的表格求出角度。3硬件電路的設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)硬件的基本組成本系統(tǒng)主要由主控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、采集模塊、顯示模塊、電源模塊組成其結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示，幾個(gè)模塊之間相互獨(dú)立且存在聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)信息狀態(tài)的上傳和控制命令的下發(fā)。顯示按鍵控制器驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)傳感器 圖3.1 系統(tǒng)控制框圖3.

22、2 各部分硬件電路模塊設(shè)計(jì)3.2.1 主控制電路模塊設(shè)計(jì)控制器按鍵風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路主控制電路主要有單片機(jī)，獨(dú)立按鍵等部分組成，通過控制主電路來控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)題目的要求。其結(jié)構(gòu)框圖和電路圖分別如圖3.2、圖3.3所示。 圖3.2 主控電路框圖圖3.3 主控電路圖鍵盤實(shí)現(xiàn)功能：首先，鍵盤我們選擇4個(gè)獨(dú)立按鍵，s1是狀態(tài)轉(zhuǎn)換鍵、s2是加一鍵、s3是減一鍵、s4是設(shè)定鍵。通過調(diào)節(jié)按鍵來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂骑L(fēng)速的大小、風(fēng)扇的啟動(dòng)與停止以及設(shè)定范圍內(nèi)角度的調(diào)節(jié)。3.2.2 角度監(jiān)測(cè)模塊電路的設(shè)計(jì)角度傳感器的內(nèi)部可看做是一個(gè)電位器。測(cè)量角度傳感器的電壓值，再通過a/d轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字量，最終由與列

23、出的表格求出轉(zhuǎn)角， 如圖3.4所示。 圖3.4 角度監(jiān)測(cè)電路3.2.3 a/d轉(zhuǎn)換模塊電路的設(shè)計(jì)使用a/d轉(zhuǎn)換器adc0804構(gòu)成a/d轉(zhuǎn)換電路。adc0804使用+5v電源供電，選通通道0輸入模擬信號(hào)，cs、rd、wr分別和單片機(jī)的p2.0、p2.1、p2.2口連接，db0db7分別和單片機(jī)的p1口的8個(gè)引腳連接，如圖3.5所示。 圖3.5 a/d轉(zhuǎn)換電路3.2.4 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)模塊電路的設(shè)計(jì)根據(jù)題目要求需要用驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，同時(shí)風(fēng)扇需均勻變速使帆板轉(zhuǎn)角在060范圍內(nèi)均勻、穩(wěn)定變化。如果保持pv802512e型風(fēng)扇20v的電源電壓，帆板的轉(zhuǎn)角會(huì)停止在某角度值而無(wú)法實(shí)現(xiàn)角度控制。同時(shí)uln280

24、3在輸入5v工作電壓下可最大驅(qū)動(dòng)電壓50v、電流650ma的負(fù)載，因此可選用uln2803構(gòu)成風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路。如圖3.6所示，p0.0口輸入頻率給定的pwm波，輸出與公共端接負(fù)載（風(fēng)扇），通過改變pwm波的占空比實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的均勻變速。 圖3.6 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路3.2.5 鍵盤控制模塊電路的設(shè)計(jì)采用獨(dú)立式按鍵s1、s2、s3、s4作為單片機(jī)的信息輸入部件控制。其中s1為狀態(tài)轉(zhuǎn)換鍵，s2為角度值加一鍵，s3為角度值減一鍵，s4為設(shè)定鍵，其電路如圖3.3所示。3.2.6 lcd顯示模塊電路的設(shè)計(jì)該顯示電路采用lcd12864作為顯示器，以串行方式與單片機(jī)通信。串行數(shù)據(jù)輸入端sid與p3.3口連接，用于給顯

25、示器傳送指令和數(shù)據(jù)；讀寫允許端cs與p3.2口連接，控制液晶讀寫數(shù)據(jù)；串行時(shí)鐘信號(hào)sclk由p2.4口送入，為傳送數(shù)據(jù)提供時(shí)鐘信號(hào)，如圖3.7所示。圖3.7 顯示電路顯示部分用lcd12864來顯示系統(tǒng)中所需的信息，如：“帆板控制系統(tǒng)”、“設(shè)定狀態(tài)”、“設(shè)定角度”、“檢測(cè)角度”。從這4行的信息中可以清晰看到本設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容。3.2.7 聲光提示模塊電路的設(shè)計(jì)當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到帆板轉(zhuǎn)角達(dá)到設(shè)定的角度時(shí)，單片機(jī)p2.3口輸出低電平信號(hào)，由pnp型三極管驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，發(fā)出提示聲音，同時(shí)p3.0口輸出低電平信號(hào)，使發(fā)光二極管d13發(fā)光報(bào)警。其電路如圖3.8所示。 圖3.8 聲光提示電路3.2.8 語(yǔ)音播放

26、模塊電路的設(shè)計(jì)此模塊用apr9600語(yǔ)音芯片，利用并行控制，通過撥動(dòng)撥碼開關(guān)s5來控制錄放。通過14腳（sp+）輸出播放錄制的的內(nèi)容，來達(dá)到報(bào)警提示目的。其電路圖如下圖3.9所示：圖3.9 語(yǔ)音提示模塊3.2.9 電源控制模塊電路的設(shè)計(jì)該電路采用變壓器與三端穩(wěn)壓器相結(jié)合。使220v電壓經(jīng)變壓器變壓，降為15v。過整流橋并利用八個(gè)容量較大的電容濾波，從而得到較為穩(wěn)定的直流電壓。通過7805、7812型號(hào)的三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓之后，輸出一個(gè)電壓為5v、12v，電流為750ma的直流電源。其電路圖如下圖3.10所示： 圖3.10 電源電路圖4 .軟件設(shè)計(jì)4.1 控制算法4.1.1 定頻調(diào)寬法在題目要求為一

27、定間距時(shí)，通過操作鍵盤控制風(fēng)力大小，使帆板轉(zhuǎn)角在060范圍變化。因此采用pwm調(diào)速法中的定頻調(diào)寬法實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)風(fēng)扇風(fēng)速穩(wěn)定、均勻的控制。定頻調(diào)寬法中高、低電平時(shí)間之和t1+t2=t保持一定，使t1在0t范圍內(nèi)變化。通過按鍵調(diào)節(jié)高電平時(shí)間變長(zhǎng)，低電平時(shí)間相應(yīng)變短，產(chǎn)生的pwm脈沖占空比線性增大，使得風(fēng)扇從停止?fàn)顟B(tài)，然后均勻加速到某個(gè)速度，從而實(shí)現(xiàn)帆板轉(zhuǎn)角從0到60勻速均勻變化；反之按動(dòng)減1鍵也可以實(shí)現(xiàn)帆板轉(zhuǎn)角從60到0勻速變化。4.1.2 積分分離算法圖4.1 積分分離法克服積分飽和（a-不采用積分分離法，b-采用積分分離法）根據(jù)題目的要求，通過操作鍵盤控制風(fēng)力大小，使帆板轉(zhuǎn)角穩(wěn)定在455范圍內(nèi)

28、。本設(shè)計(jì)中控制使用積分分離算法。積分分離算法在控制開始時(shí)不進(jìn)行積分，直至偏差達(dá)到一定閾值后才進(jìn)行積分累計(jì)。這樣，可以防止開始有過大的控制量，同時(shí)在進(jìn)入飽和后，因積分累計(jì)小，也能較快退出，如圖4.1所示。因此，假設(shè)要求帆板穩(wěn)定在，現(xiàn)確定一個(gè)范圍（），調(diào)整按鍵增大pwm波的占空比，逐漸增大風(fēng)帆的轉(zhuǎn)角，不斷將與進(jìn)行比較，如果，表明風(fēng)帆轉(zhuǎn)角已經(jīng)達(dá)到題目要求的精度范圍，保持風(fēng)扇轉(zhuǎn)速即可，反之亦然。4.1.3 遇限削弱積分算法遇限削弱積分法的基本思想是：一旦控制變量進(jìn)入飽和區(qū)，將只執(zhí)行削弱積分項(xiàng)的運(yùn)算而停止進(jìn)行增大積分項(xiàng)的運(yùn)算。因此，在控制算法設(shè)計(jì)中計(jì)算角度時(shí)，將判斷上一時(shí)刻的控制量是否已經(jīng)超出限制范圍，

29、如果已超出，那么將根據(jù)偏差的符號(hào)，判斷系統(tǒng)輸出是否在超調(diào)區(qū)，由此決定是否將相應(yīng)偏差計(jì)入積分項(xiàng)，如圖4.2所示。圖4.2 遇限削弱積分法克服積分飽和4.2 程序設(shè)計(jì)思路 通過按鍵控制單片機(jī)輸出pwm脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路uln2803帶動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)與電機(jī)的控制，從而控制帆板的旋轉(zhuǎn)的角度，經(jīng)ad轉(zhuǎn)換芯片將傳感器輸出的模擬信號(hào)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)量，送回到單片機(jī)中，與實(shí)際角度相比較后，經(jīng)pid調(diào)節(jié)輸出pwm的脈寬，來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到調(diào)解帆板角度的目的。4.3 系統(tǒng)軟件主流程圖本系統(tǒng)軟件采用模塊式設(shè)計(jì)，思路清楚，易于維護(hù)，執(zhí)行效率高。其主程序流程圖如圖4.3所示。其中，a/d轉(zhuǎn)換子程序流程圖如圖a所示（附錄1

30、），角度測(cè)量子程序流程如圖b所示（附錄1），定時(shí)器中斷子程序如圖4.4所示，讀取鍵值子程序如圖4.5所示。圖4.3 主程序流程圖 圖4.4 定時(shí)器中斷服務(wù)子程序圖4.5 讀取鍵值子程序5 系統(tǒng)測(cè)試儀器 表1 測(cè)試使用的儀器設(shè)備序號(hào)名稱、型號(hào)、規(guī)格數(shù)量1量角器12秒表 精度0.01s13游標(biāo)卡尺14直流穩(wěn)壓電源1總 結(jié)系統(tǒng)以stc89c52rc為控制核心，主要包括主控模塊、角度監(jiān)測(cè)模塊、風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)模塊、a/d轉(zhuǎn)換模塊、按鍵模塊、lcd液晶顯示模塊、聲光報(bào)警提示模塊和電源模塊。經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)可以完成：人為改變帆板轉(zhuǎn)角，系統(tǒng)能自動(dòng)監(jiān)測(cè)帆板的轉(zhuǎn)角度數(shù)；按鍵控制風(fēng)力、系統(tǒng)能自動(dòng)監(jiān)測(cè)帆板轉(zhuǎn)角；按鍵控制風(fēng)力、系統(tǒng)能自動(dòng)監(jiān)測(cè)穩(wěn)定的帆板轉(zhuǎn)角（10s內(nèi)）；鍵盤設(shè)