帆板控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、目 錄1.系統(tǒng)方案41.1主控制器的選擇41.2電源模塊的選擇51.3 角度信號(hào)采集模塊的選擇51.4 a/d轉(zhuǎn)換模塊的選擇61.5驅(qū)動(dòng)模塊的選擇61.6顯示模塊的選擇62系統(tǒng)理論分析與計(jì)算73硬件電路設(shè)計(jì)73.1系統(tǒng)硬件的基本組成73.2：硬件電路模塊設(shè)計(jì)83.2.1 主控制電路設(shè)計(jì)83.2.2 驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)93.2.3采集模塊電路設(shè)計(jì)93.2.4顯示模塊電路設(shè)計(jì)103.2.5電源模塊電路設(shè)計(jì)114.軟件設(shè)計(jì)114.1程序的設(shè)計(jì)114.2.1程序功能描述與設(shè)計(jì)思路114.2.2 程序流程圖125測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果135.1測(cè)試方案135.2 測(cè)試條件與儀器135.3 測(cè)試結(jié)果及分析135

2、.3.1測(cè)試結(jié)果135.3.2測(cè)試分析與結(jié)論15摘 要該系統(tǒng)為一個(gè)帆板控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制，調(diào)節(jié)風(fēng)力大小改變帆板角度。為了滿(mǎn)足帆板控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了各單元模塊的比較論證及確定，本系統(tǒng)以宏晶科技的stc12c5a60s2單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制芯片，選用hq7101模擬三軸加速度傳感器模塊來(lái)測(cè)量帆板轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，靈敏度高，滿(mǎn)足對(duì)角度的準(zhǔn)確測(cè)量。對(duì)于關(guān)鍵的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)過(guò)充分的比較與論證，最終選用驅(qū)動(dòng)模塊l298n，通過(guò)單片機(jī)輸出pwm脈沖，更好地實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的調(diào)速；并且加入pid控制，實(shí)現(xiàn)了控制角度的優(yōu)化。系統(tǒng)顯示部分采用12864液晶顯示，串行接口，編程容易，并且現(xiàn)實(shí)的信息量大

3、。關(guān)鍵詞：stc12c5a60s2、hq7101、pid控制、pwm脈沖、l298n1.系統(tǒng)方案本系統(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，系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖f-1所示。 圖f-1 系統(tǒng)總框圖該系統(tǒng)的工作原理是：通過(guò)調(diào)節(jié)裝置（單片機(jī)）控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片l298n,控制電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)（通過(guò)調(diào)節(jié)pwm調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速），使帆板與豎直平面達(dá)到到一定的夾角，通過(guò)角度傳感器不斷測(cè)量帆板的轉(zhuǎn)角（即實(shí)際轉(zhuǎn)角），該實(shí)際轉(zhuǎn)角與給定轉(zhuǎn)角作比較，形成轉(zhuǎn)角偏差，通過(guò)直流電機(jī)控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，通過(guò)pid控制不斷修正該轉(zhuǎn)角偏差，最終使轉(zhuǎn)角保持在給定范圍之內(nèi)。1.1主控制器的選擇方案一：采用fpga作為系統(tǒng)

4、的控制器。fpga采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制核心。但由于本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度要求不高，同時(shí)由于芯片的引腳較多，電路板布線(xiàn)復(fù)雜，加大了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作量。方案二：采用at89c51系列的單片機(jī)作為主控制器51系列芯片目前使用范圍最廣，價(jià)格便宜，但速度較慢，數(shù)據(jù)量大時(shí)速度難以滿(mǎn)足要求。而且其功能單一，需要仿真器來(lái)實(shí)現(xiàn)軟硬件調(diào)試，較為煩瑣。方案三：采用stc12c5a60s2位控制芯片stc12c5a60s2/ad/pwm 系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1t)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全

5、兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍，而且體積小、性能高，適合用于高速測(cè)量。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.2電源模塊的選擇方案一：所有器件采用單一電源(5節(jié)五號(hào)電池)。供電較簡(jiǎn)單，但由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間電流很大，會(huì)造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成單片機(jī)系統(tǒng)掉電，且容易沒(méi)電，使之不能完成題目的要求。方案二：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。綜合以上兩種方案，故擬采用方案二。1.3 角度信號(hào)采集模塊的選擇

6、方案一：使用無(wú)觸點(diǎn)磁敏電位器自制重錘角度傳感器。該角度傳感器安裝在帆板上，當(dāng)帆板處在非平衡狀態(tài)時(shí)，帆板的傾斜角度反映在重錘的轉(zhuǎn)角上，再通過(guò)ad轉(zhuǎn)換將角度信號(hào)采集到處理器中進(jìn)行相關(guān)的處理。但在本設(shè)計(jì)中要使帆板達(dá)到一定的角度就要克服傳感器的重量，而這樣會(huì)大大的增加帆板的負(fù)重，影響設(shè)計(jì)效果。方案二：采用hq7101模擬三軸加速度模塊。此傳感器功耗電流降低至200 a，比同類(lèi)器件的功耗典型值低50%，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍是3g，具有10000g 額定耐沖壓強(qiáng)度,具有良好的 0g偏壓穩(wěn)定性和良好的靈敏度，且該傳感器靈敏度高、體積小、質(zhì)量輕且易操作，所以該傳感器能很好的測(cè)量帆板轉(zhuǎn)動(dòng)角度， 根據(jù)本題的要求，選擇第二

7、種方案。1.4 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?xún)r(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(mǎn)足該系統(tǒng)對(duì)帆板角度的準(zhǔn)確測(cè)量。方案二：ad7715是美國(guó)adi公司生產(chǎn)的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用單一5v或3v電源供電,可用最少數(shù)量的口線(xiàn)與單片機(jī)或微處理器相接,適用于單通道低速小信號(hào)采樣的應(yīng)用場(chǎng)合。在該系統(tǒng)中，它以16位的串行方式直接傳送給微控制器或微處理器，適合在系統(tǒng)測(cè)量中的應(yīng)用。根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，我們最終選用了方案二。1.5驅(qū)動(dòng)模塊的選擇方案一：采用大功率三極管，二極管，電

8、阻電容等元件。用上述元件搭建兩個(gè)h橋，通過(guò)對(duì)各路信號(hào)放大來(lái)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(lái)會(huì)不穩(wěn)定，很難精確控制。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(guò)程中本身對(duì)風(fēng)扇的影響最低，且電路簡(jiǎn)單、易用、穩(wěn)定，具有較高的性?xún)r(jià)比。綜上所述，我們決定采用方案二。1.6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

9、時(shí)占用i/o口多，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)?？紤]到本設(shè)計(jì)的要求，我們選擇方案二。2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算根據(jù)題目設(shè)計(jì)要求，控制風(fēng)扇風(fēng)力的大小，使帆板能在0到60度范圍內(nèi)變化。首先，我們通過(guò)按鍵控制單片機(jī)輸出的pwm信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢來(lái)控制風(fēng)扇風(fēng)力的大??；另外，我們還使用了pid調(diào)節(jié)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，pid計(jì)算公式如下所示： 通過(guò)加速度傳感器檢測(cè)帆板的角度，經(jīng)ad轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量變化，從而也可以通過(guò)調(diào)節(jié)pwm來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以只要帆板能在0到60度范圍內(nèi)變化，并且能夠控制電機(jī)的

10、轉(zhuǎn)速使帆板保持在一定的角度。3硬件電路設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)硬件的基本組成 控制器按鍵傳感器電 機(jī)驅(qū)動(dòng)電路顯 示本系統(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f-2所示，幾個(gè)模塊之間相互獨(dú)立且存在聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的上傳和控制命令的下發(fā)。 圖f-2 系統(tǒng)控制框圖3.2硬件電路模塊設(shè)計(jì)3.2.1 主控制電路設(shè)計(jì) 主控制電路主要有單片機(jī)，獨(dú)立按鍵等部分組成，通過(guò)控制主控電路來(lái)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f-2，f-4所示。 控制器按鍵電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 圖f-3 主控電路框圖圖f-4 主控電路電路圖 3.2.2 驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)模塊采用l

11、298n驅(qū)動(dòng)芯片。利用12v電源供電，通過(guò)單片機(jī)的i/o口提供輸入信號(hào)，其輸出的pwm 脈沖控制直流電機(jī)，能夠?qū)﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)速的啟動(dòng)與停止進(jìn)行調(diào)節(jié)，其電路原理圖如圖f-5所示。 圖f-5 驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖3.2.3采集模塊電路設(shè)計(jì)采集模塊電路分別有傳感器模塊和轉(zhuǎn)換模塊組成，傳感器模塊利用hq7101三軸加速度傳感器實(shí)現(xiàn)信息的采集，轉(zhuǎn)換模塊使用ad7715芯片實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，當(dāng)加速度傳感器檢測(cè)到有效信號(hào)時(shí)，便將信號(hào)傳輸給ad7715進(jìn)行轉(zhuǎn)換運(yùn)算，ad7715再將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)傳輸給單片機(jī)從而實(shí)現(xiàn)角度的測(cè)量，其硬件電路圖如圖f-6所示。圖f-6 采集模塊電路原理圖3.2.4顯示模塊電路設(shè)計(jì) 顯示模塊利

12、用st7920的12864液晶顯示，液晶通過(guò)串行工作方式與單片機(jī)i/o口連接，當(dāng)顯示數(shù)據(jù)時(shí)，液晶能很好的顯示出所要的效果，其電路原理圖如f-7所示。 圖f-7 顯示模塊電路原理圖3.2.5電源模塊電路設(shè)計(jì) 電源模塊由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成，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。12v電源為電機(jī)供電，5v電源為單片機(jī)及其他傳感器、顯示屏等模塊供電。其電路原理圖如圖f-8所示。 圖f-8 電源模塊電路原理圖4.軟件設(shè)計(jì)4.1程序功能描述與設(shè)計(jì)思路1、程序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分主要實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)的設(shè)置和液晶的顯示。1）鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)功能：首

13、先，鍵盤(pán)我們選擇4個(gè)獨(dú)立按鍵，通過(guò)調(diào)節(jié)按鍵來(lái)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)。2）顯示部分：在液晶上顯示帆板轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)時(shí)角度，并且顯示程序設(shè)定的角度和設(shè)定的狀態(tài)。 2、程序設(shè)計(jì)思路通過(guò)按鍵控制單片機(jī)輸出pwm脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路l298n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(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到調(diào)解帆板角度的目的。4.2 程序流程圖1.主程序流程圖5測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果5.1測(cè)試方案1、硬件測(cè)試根據(jù)題目設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)共由單

14、片機(jī)最小系統(tǒng)、電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊、信息采集模塊組成，將焊接好的模塊按照系統(tǒng)框圖進(jìn)行連接，檢查電路是否都通電，編寫(xiě)各模塊子程序進(jìn)行各模塊硬件的檢測(cè)。2、軟件仿真測(cè)試將編寫(xiě)好的程序通過(guò)串口數(shù)據(jù)線(xiàn)下載到單片機(jī)上，將單片機(jī)最小系統(tǒng)與按鍵、液晶、驅(qū)動(dòng)電路、傳感器、電機(jī)一一進(jìn)行連接進(jìn)行軟件的仿真調(diào)試，經(jīng)過(guò)多次調(diào)試可以在電機(jī)空轉(zhuǎn)的情況下達(dá)到電機(jī)調(diào)速和傳感器模塊對(duì)角度的測(cè)量與角度的dip反饋的調(diào)試。3、硬件軟件聯(lián)調(diào)將程序下載到單片機(jī)后，將各模塊電路與風(fēng)扇電機(jī)進(jìn)行連接，并且將傳感器放在帆板的右上角，通過(guò)控制按鍵來(lái)控制電機(jī)的啟停和轉(zhuǎn)速大小，剛開(kāi)始在調(diào)速過(guò)程中風(fēng)扇的風(fēng)力無(wú)法使帆板達(dá)到預(yù)定的角度，經(jīng)過(guò)再三的

15、實(shí)驗(yàn)，在風(fēng)扇與帆板之間加上一個(gè)自制的風(fēng)洞，使風(fēng)力更加集中，從而達(dá)到了題目的要求。5.2 測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件：見(jiàn)過(guò)多次檢查，仿真電路和硬件電路與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無(wú)誤，硬件電路無(wú)虛焊。測(cè)試儀器：量角器、高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字萬(wàn)用表，指針式萬(wàn)用表。5.3 測(cè)試結(jié)果及分析5.3.1測(cè)試結(jié)果1.基本要求的測(cè)試結(jié)果：（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。測(cè)試結(jié)果如表5-1所示 表5-1 帆板角度 顯示角度 誤差 0 00 20 200 38 380 60 600（2）當(dāng)間距d=10cm 時(shí)，通過(guò)操作鍵盤(pán)控制風(fēng)力大小，使帆板轉(zhuǎn)角

16、能夠在060范圍內(nèi)變化，并要求實(shí)時(shí)顯示。 測(cè)試結(jié)果：隨著風(fēng)力的不斷增加，帆板轉(zhuǎn)角也隨之增大，液晶屏顯示正常。滿(mǎn)足條件。（3）當(dāng)間距d=10cm 時(shí)，通過(guò)操作鍵盤(pán)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(guò)程在10 秒內(nèi)完成，實(shí)時(shí)顯示，并由聲光提示，以便進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果：當(dāng)間距d=10cm 時(shí)，通過(guò)按鍵控制風(fēng)力的大小，帆板穩(wěn)定在452范圍內(nèi)并有聲光提示。滿(mǎn)足條件。2.發(fā)揮部分測(cè)試結(jié)果（1） 當(dāng)間距d=10cm 時(shí)，通過(guò)鍵盤(pán)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(guò)5。 測(cè)試結(jié)果如表5-2所示：設(shè)定角度實(shí)際角度角度誤差達(dá)到設(shè)定值用時(shí)條件是否滿(mǎn)