帆板控制系統(tǒng)報告

1、帆板控制系統(tǒng)題目：帆板與控制系統(tǒng)組員：指導(dǎo)老師：時間： 2014. 8. 11 摘 要隨著社會的發(fā)展，智能化已經(jīng)成為現(xiàn)代化產(chǎn)品發(fā)展的新趨勢，帆板角度控制系統(tǒng)成為測量風(fēng)力大小的產(chǎn)品， 即可以節(jié)約電能， 又可以把測量風(fēng)力大小的設(shè)備向智能化產(chǎn)品方向過渡。本系統(tǒng)采用 sct89c51 單片機(jī)作為控制核心，利用角度傳感器adxl335 、電機(jī)驅(qū)動 l298n 、液晶顯示、鍵盤控制、聲光報警等多個模塊實(shí)現(xiàn)帆板控制系統(tǒng)。安置在帆板上的角度傳感器將檢測信號通過ad轉(zhuǎn)換后傳送給單片機(jī)控制系統(tǒng)，計算出帆板旋轉(zhuǎn)角度， 并由單片機(jī)控制液晶進(jìn)行信息顯示。帆板旋轉(zhuǎn)角度可通過鍵盤設(shè)置風(fēng)力等級， 由單片機(jī)通過 pwm 方式驅(qū)

2、動直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)速。配合角度傳感器可以實(shí)時調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而帶動風(fēng)扇調(diào)整帆板轉(zhuǎn)角。測試結(jié)果證明，帆板控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可以準(zhǔn)確快速地調(diào)整帆板角度，液晶顯示內(nèi)容直觀。目錄第一章 前言. 1第二章系統(tǒng)整體分析 . 22.1 方案的論證 . 22.1.1輸入模塊的選擇 . 22.2 系統(tǒng)的整體 . 4第三章 硬件電路 . 63.1 按鍵電路 . 63.2 主控電路 . 63.2.1振蕩電路 . 63.2.2復(fù)位電路 . 73.3 風(fēng)扇控制電路 . 73.4 顯示電路 . 83.7 硬件系統(tǒng) . 9第四章 軟件系統(tǒng) . 104.1 控制算法 . 104.2 角度測量原理 . 104.3.1 k

3、eil簡介. 104.3.2 proteus簡介. 104.4 軟件設(shè)計 . 11第五章 仿真與調(diào)試 . 125.1 仿真. 125.2 測量. 13第六章 總結(jié). 18附錄. 191 第一章前言隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展， 人們生活水平的不斷提高， 單片機(jī)控制成為了人們追求的目標(biāo)之一， 它所給人類帶來的方便是不可否定的，但人們對它的要求越來越高，一切向著數(shù)字化控制，智能化控制，人性化的方向發(fā)展?，F(xiàn)代社會對各種信息的準(zhǔn)確性也有了更高的要求， 自動檢測、自動控制技術(shù)顯露出非凡的能力。對于像帆板這樣的自動平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)在機(jī)械、機(jī)器人平衡運(yùn)動以及生活、軍事、工業(yè)生產(chǎn)的控制和研究中都有著不可磨滅的作用和地位

4、。在本設(shè)計中，首先選擇了合適的方案并進(jìn)行仿真，在實(shí)現(xiàn)仿真后進(jìn)行了電路的得連接及調(diào)試。本系統(tǒng)設(shè)計了基于51 系列的 sct89s51處理器的帆板控制系統(tǒng)。 該系統(tǒng)是通過 pwm 波控制永磁式直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變風(fēng)扇的風(fēng)力，使得帆板的受力發(fā)生變化控制其豎直方向的夾角。 使用角度傳感器 adxl335 采集帆板的角度模擬量，數(shù)據(jù)通過 adc0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送給處理器，通過一系列的數(shù)據(jù)處理將其角度用lcd1602 顯示輸出；該帆板控制系統(tǒng)組成雖然簡單，但是在設(shè)計方面應(yīng)用了好多領(lǐng)域的知識，如a/d 數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)，單片機(jī)c 編程，直流電機(jī)驅(qū)動模塊，直流穩(wěn)壓電源，角度傳感器數(shù)據(jù)采集等。、2

5、 第二章系統(tǒng)整體分析本課題要求設(shè)計并制作一個帆板控制系統(tǒng)，通過對風(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)對題目的分析，得到初步的方案，系統(tǒng)總體框圖如下所示：圖 1 總框圖總體方案的描述：本系統(tǒng)設(shè)計由輸入、控制器、輸出三部分組成。輸入由按鍵部分組成，通過按鍵產(chǎn)生信號，并將得到的信號以數(shù)字信號送給控制器處理；控制器的功能是處理輸入部分傳來的數(shù)字信號并控制輸出部分；輸出部分顯示帆板角度。2.1 方案的論證本系統(tǒng)要求帆板角度能夠在060 轉(zhuǎn)動，在 45 實(shí)現(xiàn)報警并且誤差不超過5，因此需要選擇穩(wěn)定的器件組合。2.1.1 輸入模塊的選擇方案一采用獨(dú)立鍵盤。多個使用時，線路連接不便，操作繁瑣。方

6、案二采用距陣式鍵盤，可輸入的值比較多，可設(shè)定的功能也多。3 在本系統(tǒng)中需要四個按鍵，系統(tǒng)選擇了第一種方案。主控模塊方案一采用可編程的門陣列fpga 作為控制器，它不受接觸器和i/o 端口的限制，適合構(gòu)成復(fù)雜的邏輯電路，但其信號延遲時間不確定，編程數(shù)據(jù)存儲器為sram ，斷電后數(shù)據(jù)立即丟失。方案二采用 sct89c51 作為控制器， 51單片機(jī)使用簡單，編程靈活，且比較熟悉。綜上選用方案二顯示模塊方案一采用 led數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管顯示控制簡單調(diào)試也方便，但是顯示方式單一，只能顯示單一齊段數(shù)值，有些字符信息難以顯示。方案二采用液晶模塊 lcd1602顯示?？梢燥@示數(shù)字， 字符等，顯示內(nèi)容豐富。并

7、且 系統(tǒng)體積緊湊、顯示界面友好等特點(diǎn)。綜上，選用 lcd1602顯示系統(tǒng)。角度測量模塊方案一采用 km 741磁阻式角度傳感器測量帆板的角度，然后通過無線發(fā)射系統(tǒng)把測量的角度發(fā)送給控制系統(tǒng)， 但需外加側(cè)場合信號調(diào)理芯片構(gòu)成的電壓輸出式角度傳感器 uz9000/uz9001才能輸出數(shù)字信號。方案二采用 adxl335 ，它可以測量傾斜檢測應(yīng)用中的靜態(tài)動力加速度，以及運(yùn)動、沖擊或振動導(dǎo)致的動態(tài)加速度，且低功耗。綜上所述選擇方案二風(fēng)扇驅(qū)動模塊方案一采用繼電器與半導(dǎo)體功率管器件組合的驅(qū)動電路4 方案二采用 l298n 集成 h 橋芯片。在 l298n 集成芯片處中集成了兩套h 橋電路，可直接驅(qū)動兩路直

8、流電機(jī)，利用單片機(jī)產(chǎn)生的pwm 信號，可方便地進(jìn)行電機(jī)調(diào)速。方案三用 uln2003 功率放大器件。uln2003 是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列，由七個硅 npn 達(dá)林頓數(shù)碼管組成。 通過使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，可達(dá)到不同的放大的要求，放大后能得到較大的功率。本系統(tǒng)設(shè)計采用方案二。帆板的設(shè)計方案與選擇方案一采用電路版作為帆板。 電路版在帆板的體積稍大一點(diǎn)時，考慮到風(fēng)力的大小和自身重力，不宜采用。方案二采用泡沫重量小，很容易讓使帆板轉(zhuǎn)動從而滿足設(shè)計所需要的角度，但他的穩(wěn)定性不高，干擾成分太多。方案三采用硬紙板作為帆板。 硬紙板的穩(wěn)定性好， 抗干擾能力強(qiáng)， 受干擾的成分叫小且經(jīng)濟(jì)。綜上所

9、述選用方案三。2.2 系統(tǒng)的整體經(jīng)過方案的對比分析最終確定的系統(tǒng)框圖如圖1 所示，通過滑動變阻器給定一個預(yù)設(shè)角度， adc 與單片機(jī)相連，單片機(jī)驅(qū)動液晶顯示、控制電器驅(qū)動來改變風(fēng)速，從而改變帆板的角度，角度傳感器把此時的角度通過adc 反饋給單片機(jī)。5 圖 2 系統(tǒng)框圖6 第三章硬件電路本系統(tǒng)采用 sct89c52 單片機(jī)作為控制核心，利用角度傳感器adxl335 、電機(jī)驅(qū)動 l298、液晶顯示、鍵盤控制、聲光報警等多個模塊實(shí)現(xiàn)帆板控制系統(tǒng)。3.1 按鍵電路通過按 s3鍵讓風(fēng)扇啟動， s2 鍵加速， s1鍵減速。改變風(fēng)扇風(fēng)力的大小改變帆板的角度。圖 3 按鍵電路3.2 主控電路單片機(jī)子系統(tǒng)由單

10、片機(jī)at89c52 、復(fù)位電路、時鐘電路組成。3.2.1振蕩電路振蕩電路的輸入端為引腳xtal1,輸出端為引腳 xtal2 。通過這兩個引腳在芯片外連接石英晶體振蕩器和兩只電容器構(gòu)成振蕩電路，圖 3 振蕩電路0a03.1s1s2s37 3.2.2 復(fù)位電路80c51共有上電復(fù)位、按鍵復(fù)位電路和按鍵脈沖復(fù)位3 種基本復(fù)位電路。上電復(fù)位是通過電容充電來實(shí)現(xiàn)的，本設(shè)計采用比較簡單的上電復(fù)位方式圖 4 復(fù)位電路3.3 風(fēng)扇控制電路風(fēng)扇控制電路主要采用l298n ，通過單片機(jī) i/o 輸出 pwm 波，通過改變 pwm波的占空比改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速， 還可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，停止的操作， 輸入引腳與輸出引

11、腳的邏輯關(guān)系見表1。ea in1 in2 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)0 停止1 1 0 正轉(zhuǎn)1 0 1 反轉(zhuǎn)1 1 1 立停1 0 0 停止表 1 在試驗中采用了 pwm波接 ea端控制驅(qū)動電路的運(yùn)轉(zhuǎn)， in1 接高電平，in2 接地，實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)。8 圖 5 風(fēng)扇轉(zhuǎn)動電路圖 5 是 l298模塊驅(qū)動電路圖，在這個系統(tǒng)只涉及一個電機(jī)，所以圖3 中的en b、in3、in4、out3 、out4 、senb不需要接入電路中。其原理就是開關(guān)管在一個周期內(nèi)的導(dǎo)通時間為t ，周期為 t，則電機(jī)兩端的平均電壓為u=vcc* （t/t ）=a vcc。其中 a=t/t （占空比），vcc是電源電壓。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成

12、比例，而電機(jī)兩端的電壓與占空比成正比，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速與占空比成正比例，占空比比例越大，電機(jī)轉(zhuǎn)的越快。這就是我們常說的pwm 調(diào)速。3.4 顯示電路顯示電路八位數(shù)據(jù)雙向線d0d7 接單片機(jī)的 p0 口，rs為寄存器選擇，高電平擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平選擇指令寄存器接；r/w為讀寫選擇，高電平進(jìn)行讀操作，低電平進(jìn)行寫操作；e為使能端。圖 6 顯示電路9 3.7 硬件系統(tǒng)帆板控制系統(tǒng)是由角度傳感器adxl335 ，l298 驅(qū)動模塊， stc89c52 ，lcd顯示以及鍵盤等硬件系統(tǒng)組成。角度傳感器可以實(shí)現(xiàn)角度的采集，這樣就能通過adc0809 來實(shí)現(xiàn) ad轉(zhuǎn)換，通過單片機(jī)的控制使得lcd能夠顯示當(dāng)前的角

13、度。 l298驅(qū)動模塊是通過 pwm 波實(shí)現(xiàn)占空比的轉(zhuǎn)換， 以便控制風(fēng)扇的風(fēng)速控制， 風(fēng)扇吹動帆板轉(zhuǎn)動，建立了角度與占空比的關(guān)系。圖 7 系統(tǒng)原理圖10 第四章軟件系統(tǒng)4.1 控制算法本設(shè)計通過單片機(jī)輸出占空比可調(diào)的pwm 波完成對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制， 假設(shè)風(fēng)帆設(shè)定轉(zhuǎn)角 a，當(dāng)前轉(zhuǎn)角大于a 時，控制調(diào)制脈沖低電平延時變長，高電平變短，使 pwm 波的占空比減小，從而減緩風(fēng)速。反之，當(dāng)轉(zhuǎn)角小于a度時, 則高電平時延變長。直到設(shè)定轉(zhuǎn)角等于當(dāng)前轉(zhuǎn)角。從而實(shí)現(xiàn)了脈寬調(diào)制，完成風(fēng)速控制。4.2 角度測量原理風(fēng)扇吹動帆板轉(zhuǎn)動， 產(chǎn)生帆板角度變化， 利用 adxl335 數(shù)字加速度傳感器測出三維坐標(biāo) x 、y

14、、z 的變化，將加速度傳感器固定在帆板上，從而通過固定x，利用 y 、z 的關(guān)系求出角度。角度 =1.54-5*（y-z）/0.03565。角度的測量范圍是 090，可以滿足系統(tǒng)要求。4.3 軟件簡介4.3.1 keil簡介keil c51 是 51 系列單片機(jī)的軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編語言相比，c語言在不僅語句簡單靈活，而且編寫的函數(shù)模塊可移植性強(qiáng)8，使用方便。在使用時先創(chuàng)建一個工程，然后添加文件并編寫程序，編好后再編譯調(diào)試產(chǎn)生二進(jìn)制文件(.hex) 。4.3.2 proteus簡介proteus 軟件不但有原理布圖、 pcb自動或人工布線及電路仿真的功能，而11 且它的電路仿真是互動的， 可以

15、根據(jù)仿真實(shí)時觀察到得現(xiàn)象驗證設(shè)計的正確性及準(zhǔn)確性并及時改變程序代碼、 原理圖連接以及元件屬性等。 它還能配合系統(tǒng)配置的虛擬儀器來顯示和輸出9，效果很好。適合本設(shè)計所用的51 系列 cpu的實(shí)時仿真及開發(fā)應(yīng)用， 使用時先畫好電路原理圖， 再將二進(jìn)制文件 (.hex) 導(dǎo)入單片機(jī)中進(jìn)行仿真，可以實(shí)時的修改程序和電路圖。4.4 軟件設(shè)計本系統(tǒng)所用軟件程序所采用的語言是c語言。首先使系統(tǒng)的每一部分初始化，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的初始化通過數(shù)模轉(zhuǎn)化后傳遞給單片機(jī)單片機(jī)輸出pwm波形來控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，風(fēng)扇不同的轉(zhuǎn)速對應(yīng)帆板不同的角度值，站在帆板上的角度傳感器通過算法計算出帆板角度， 同時，反饋給單片機(jī)在顯示屏上顯示角度

16、大小。通過按鍵調(diào)節(jié)風(fēng)力的大小來控制帆板的角度從而達(dá)到實(shí)驗的目的。12 開始p wm 子程序角度轉(zhuǎn)換子程序a dc0809子程序顯示子程序結(jié)束報警子程序初始化調(diào)節(jié)滑變圖 8 主程序流程圖第五章仿真與調(diào)試在 proteus 環(huán)境下仿真了整體電路， 但由于不能在此情況下不能仿真角度傳感器，智能通過風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速來對應(yīng)角度，為了使實(shí)驗達(dá)到預(yù)期目的我們也做了大量的測量來調(diào)試電路5.1 仿真本系統(tǒng)使用 proteus 和 keil軟件進(jìn)行仿真。其中軟件的編寫采用c語言，并用 keil 軟件來調(diào)試程序， 當(dāng)編譯正確后可產(chǎn)生 .hex 可執(zhí)行文件；最后將 .hex 控制按 鍵子程序13 導(dǎo)入用 proteus 軟

17、件已畫好的原理圖中來仿真結(jié)果。在最后的仿真中按啟動鍵電機(jī)機(jī)能夠啟動，加速鍵和減速鍵按下后電機(jī)都回達(dá)到預(yù)期的加速或減速，并且角度傳感器會有相應(yīng)的加減變化。圖 9 系統(tǒng)仿真圖5.2 測量為了讓實(shí)驗達(dá)到預(yù)期的結(jié)果， 在軟件的調(diào)試中我們也做了大量的硬件調(diào)試和測量。表 2 是在距離為 7 時不同電壓不同角度的實(shí)際測量帆板角度啟動穩(wěn)定值風(fēng) 扇 角度電壓(v) 304560901 0 0 0 0 2 5 5 5 5 3 5 8 10 15 14 4 5 15 20 20 5 10 20 25 30 6 20 30 30 40 7 20 35 38 50 8 25 40 40 53 9 30 50 48 55

18、 10 40 55 53 55 11 45 65 55 57 12 45 70 60 57 13 45 75 65 58 14 45 85 75 59 表 2 實(shí)驗要求測量角度為0 60，在達(dá)到實(shí)驗要求且增加電壓時帆板角度增加值穩(wěn)定的綜合考慮下選擇60。表 3 是在風(fēng)扇角度為 60、帆板與風(fēng)扇的距離為10cm時的初始值電壓值 (v) 啟動帆板穩(wěn)定值（）8 12 3513 40 14 45 15 47 10 12 40 13 47 14 50 15 55 15 12 14 12 45 13 50 14 60 15 65 12 45 13 55 14 60 15 65 16 12 50 13 60

19、 14 65 15 75 表 3 實(shí)驗要求帆板角度在060之間，在達(dá)到要求又節(jié)能的綜合考慮下應(yīng)選擇初始值為 12，電壓值為 12v，而且此時達(dá)到實(shí)驗要求的報警要求。5.2.3 利用 matlab 測帆板角度與（ y-z）的電壓值關(guān)系(1) y(v) 1.776 1.775 1.772 1.767 1.758 1.752 1.741 1.728 z(v) 1.504 1.524 1.548 1.577 1.604 1.621 1.645 1.667 (。)0 5 10 15 20 25 30 35 y(v) 1.714 1.699 1.679 1.657 1.638 1.612 1.561 1.

20、542 z(v) 1.687 1.705 1.725 1.743 1.757 1.771 1.791 1.795 (。)40 45 50 55 60 65 70 75 表 4 16 m1 （y-z）=-0.0349(/5+1)+0.3306 (2) y(v) 1.773 1.773 1.770 1.765 1.756 1.744 1.731 1.714 z(v) 15000 1.520 1.548 1.576 1.606 1.635 1.657 1.683 (。)0 5 10 15 20 25 30 35 y(v) 1.700 1.679 1.648 1.617 1.595 1.572 1.5

21、59 1.539 z(v) 1.702 1.722 1.746 1.765 1.776 1.785 1.789 1.794 (。)40 45 50 55 60 65 70 75 表 5 m2 （y-z）=-0.0364(/5+1)+0.3216 17 (3) y(v) 1.932 1.931 1.928 1.923 1.914 1.904 1.890 1.875 z(v) 1.625 1.648 1.682 1.706 1.735 1.763 1.791 1.814 (。)0 5 10 15 20 25 30 35 y(v) 1.857 1.830 1.799 1.801 1.768 1.733 1.699 1.669 z(v) 1.842 1.871 1.895 1.893 1.916 1.931 1.940 1.9