全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽論文

1、2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽 帆板控制系統(tǒng)（F題）【高職高專組】 2011年09月03日 帆板控制系統(tǒng) 摘 要 本帆板控制系統(tǒng)是以STC89C52單片機為核心，應(yīng)用PWM技術(shù)、旋轉(zhuǎn)角度傳感器角度傳感器和AD轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)了帆板控制系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)應(yīng)用PWM脈沖寬度調(diào)制方式實現(xiàn)對風(fēng)扇風(fēng)速的多級調(diào)整；不同風(fēng)速下系統(tǒng)通過風(fēng)扇吹動帆板，控制帆板轉(zhuǎn)角從060任意變化，同時帆板的角度由旋轉(zhuǎn)角度傳感器檢測，通過AD轉(zhuǎn)換后在LCD-1602上顯示。系統(tǒng)不僅可以通過鍵盤調(diào)整風(fēng)速使帆板達到合適的角度，而且可以通過風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)，控制帆板精確轉(zhuǎn)動，使帆板的角度與輸入的角度一致。經(jīng)實驗調(diào)試，帆板控制系統(tǒng)的設(shè)計較

2、好地滿足了任務(wù)要求。 關(guān)鍵詞：STC單片機、PWM調(diào)速、旋轉(zhuǎn)角度傳感器 、AD轉(zhuǎn)換 帆板控制系統(tǒng) 摘 要 本帆板控制系統(tǒng)是以STC89C52單片機為核心，應(yīng)用PWM技術(shù)、旋轉(zhuǎn)角度傳感器角度傳感器和AD轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)了帆板控制系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)應(yīng)用PWM脈沖寬度調(diào)制方式實現(xiàn)對風(fēng)扇風(fēng)速的多級調(diào)整；不同風(fēng)速下系統(tǒng)通過風(fēng)扇吹動帆板，控制帆板轉(zhuǎn)角從060任意變化，同時帆板的角度由旋轉(zhuǎn)角度傳感器檢測，通過AD轉(zhuǎn)換后在LCD-1602上顯示。系統(tǒng)不僅可以通過鍵盤調(diào)整風(fēng)速使帆板達到合適的角度，而且可以通過風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)，控制帆板精確轉(zhuǎn)動，使帆板的角度與輸入的角度一致。經(jīng)實驗調(diào)試，帆板控制系統(tǒng)的設(shè)計較好地滿足了

3、任務(wù)要求。 關(guān)鍵詞：STC單片機、PWM調(diào)速、旋轉(zhuǎn)角度傳感器 、AD轉(zhuǎn)換一、系統(tǒng)方案、1、主控制模塊的論證與選擇： 方案一：采用FPGA或CPLD作為系統(tǒng)的控制器。優(yōu)點：可以實現(xiàn)復(fù)雜邏輯功能，規(guī)模大，速度快，密度高，體積小，穩(wěn)定性高，容易實現(xiàn)仿真、調(diào)試和功能擴展。缺點：成本高，引腳多，PCB布線復(fù)雜。本設(shè)計對數(shù)據(jù)的處理要求不高，此方案的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)。 方案二：采用51單片機作為系統(tǒng)的控制器。優(yōu)點：算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活，自由度大，技術(shù)成熟，體積小，成本低，容易實現(xiàn)仿真、調(diào)試和功能擴展，并而51MCU的運用比較熟練。 缺點：速度相對較低。 方案三：采用AVR單片機作為系統(tǒng)的控制器。優(yōu)

4、點：AVR的ATMEGA16L芯片內(nèi)部帶有AD轉(zhuǎn)換以及PWM電機高速功能，能夠方便地解決整個系統(tǒng)的問題，是個很好的控制方案，但本設(shè)計取決于對相關(guān)技術(shù)的熟悉程度。所以選擇方案二。2、電機控制模塊的論證與選擇： 方案一：采用繼電器對電動機的開或關(guān)進行控制。通過控制開關(guān)的切換速度實現(xiàn)對小車的速度進行調(diào)整。此方案電路簡單，但繼電器易損壞、壽命短，可靠性不高。 方案二：采用由分離元件達林頓管組成的H型橋式PWM電路驅(qū)動電機。這種電路由于管子交替工作在飽和與截止的模式下，因此效率非常高。H型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極強。 方案三:采用單片集成電路L298構(gòu)成P

5、WM電機驅(qū)動電路。L298N芯片是較常用的電機驅(qū)動芯片。該芯片有兩個TTL/CMOS 兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性能，可用單片機的I/O口提供信號，電路簡單、易用、穩(wěn)定，具有較高的性價比。綜合以上三種方案，選擇方案三。3、角度傳感器模塊的論證與選擇：方案一：通過單圈精密可調(diào)電阻轉(zhuǎn)換成角度的變化。單圈精密可調(diào)電阻通過A/D轉(zhuǎn)換后，由模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過轉(zhuǎn)換變成角度的變化顯示在液晶屏上。通過實驗可以發(fā)覺由于可調(diào)電阻的轉(zhuǎn)軸比較緊，偏轉(zhuǎn)的角度不明顯，造成測試的結(jié)果不理想，與要達到的要求不符合，所以方案二舍棄。 方案二：數(shù)字加速度傳感器。MMA7455數(shù)字加速度傳感器是一款數(shù)字輸出（I2C

6、/SPI）、低功耗、緊湊型電容式微機械加速度計，具有信號調(diào)理、低通濾波器、溫度補償、自測、可配置通過中斷引腳檢測、以及脈沖檢測（用于快速運動檢測）等功能。但是由于其成本高，控制比較復(fù)雜和麻煩，根據(jù)團隊的實際，決定不采用這個方案。 方案三：模擬旋轉(zhuǎn)角度傳感器檢測角度的偏轉(zhuǎn)。模擬旋轉(zhuǎn)角度傳感器是基于可調(diào)電位計工作原理所設(shè)計，其不僅可以做為可調(diào)電阻控制電機轉(zhuǎn)速，還可以在其旋轉(zhuǎn)頭部安裝單擺輪，測量傾角，旋轉(zhuǎn)角度從0到270度，其而且體積小的特點，便于安裝；轉(zhuǎn)軸比較滑，這樣便能夠準確地帶動帆板的轉(zhuǎn)動使其偏轉(zhuǎn)一定的角度。 所以選擇方案三。4、顯示模塊的論證與選擇： 方案一：使用LCD-1602顯示屏。優(yōu)點

7、：功耗小，顯示數(shù)字與阿拉伯字母等字符。缺點：編程難度較高。 方案二：使用LCD-12864顯示屏。優(yōu)點：帶有漢字、圖形、多種顯示形式。缺點：編程難度較高，價格昂貴。 方案三：使用LED數(shù)碼管。優(yōu)點：編程難度低。缺點：功耗較大，電路連接相對較復(fù)雜。在低功耗下，顯示界面友好、內(nèi)容豐富，綜合考慮，選用LCD-1602來實現(xiàn)顯示功能下，選擇了方案一。二、電路與程序設(shè)計2.1電路的設(shè)計2.1.1系統(tǒng)總體框圖： 電源模塊 電機控制模塊 控制模塊 帆板 鍵盤模塊 模擬角度傳感器 顯示模塊 聲光提示 AD轉(zhuǎn)換器 圖1-1 系統(tǒng)的主控制框圖 說明：控制模塊是以STC89C52為核心部件，ADC0832通過采集模

8、擬旋轉(zhuǎn)角度傳感器返回的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過角度的換算顯示在LCD-1602顯示屏上。鍵盤能夠選擇工作模式和功能的實現(xiàn)。當某一項功能實現(xiàn)的時候，并附有聲光提示。2.1.2電機驅(qū)動電路：圖1-2 電機控制電路 電機控制電路如圖1-3所示。采用單片集成電路L298構(gòu)成PWM電機驅(qū)動電路。L298的IN1引腳和ENA引腳與單片機IO口連接，L298的OU1引腳和OUT2引腳與電機兩端相連。 采用PWM調(diào)速的方法對電機進行控制，單片機IO口輸出PWM信號到L298的IN1引腳，通過對PWM信號占空比的變化調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)動速度，同時單片機控制L298的ENA引腳，使能L298的OUT1和OUT2引腳的輸出

9、，從而啟動或停止電機工作。2.1.3角度檢測電路： 角度檢測電路如圖1-4所示。圖1-4中，P20為模擬旋轉(zhuǎn)角度傳感器，傳感器能根據(jù)檢測到的角度變化輸出與檢測角度成正比的模擬電壓，檢測角度的范圍為0O270O，模擬電壓的范圍為05V。模擬電壓由傳感器OUT引腳輸出，通過ADC0832的CH0端送入ADC0832中。ADC0832對模擬電壓進行AD轉(zhuǎn)換，再把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量通過DO端送進單片機。 圖1-3 角度檢測電路 AD電路用于轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)角度傳感器輸出的模擬信號，變成數(shù)字量輸入到單片機，通過角度傳化計算，顯示在LCD-1602上。2.1.5 矩陣鍵盤電路：圖1-4 矩陣鍵盤電路 矩陣鍵盤電路如圖

10、1-6所示。利用矩陣鍵盤可控制風(fēng)扇風(fēng)速，輸入帆板角度，系統(tǒng)工作模式的設(shè)定值。2.2程序的設(shè)計 主程序流程圖： 開始21 模式選擇 角度設(shè)定 電機控制 電機調(diào)速 角度檢測 角度檢測 顯示否 顯示是 是否退出否是否到達設(shè) 定值？ 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 是是 是否退出圖1-5 程序流程圖 說明：該程序流程圖程序設(shè)有模式選擇功能，根據(jù)模式的選擇，鍵盤的輸入與PMW的控制，實現(xiàn)所要的功能。三、測試方案3.1測試方案3.1.1、硬件調(diào)試：總結(jié)分析電路圖總體測試模塊電路測試 圖1-6 硬件流程圖 說明：根據(jù)該流程圖，依次檢測單片機模塊、電機控制模塊、鍵盤模塊等的檢測，經(jīng)檢測存在小小的問題，但經(jīng)過耐心的檢測與討論，最終解

11、決了問題的所在。3.1.2、軟件調(diào)試： 在功能控制模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。常規(guī)的模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖所示。 比例被控對象 微分 積分+y(t)+u(t)e(t)r(t)+ 圖1-7 模擬PID控制系統(tǒng)原理圖 該系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。圖中， r(t)是給定值， y(t)是系統(tǒng)的實際輸出值，給定值與實際輸出值構(gòu)成控制偏差e(t)。 公式： e(t) = r(t) y(t) （式11） e (t)作為PID控制的輸入，u(t)作為PID控制器的輸出和被控對象的輸入。通過上述的PID算法，可以很好的控制電機的轉(zhuǎn)速。四、測試結(jié)果4.1 測試儀器 測試

12、儀器：模擬電壓表、角度尺 、直尺 、秒表4.2 測試結(jié)果及分析4.2.1基本要求的測試結(jié)果(數(shù)據(jù))： 基本要求（1）：手動帆板測量的轉(zhuǎn)角如表41所示： 實際值5O10O15O20O25O30O35O40O45O50O55O60O測量值6O12O17O 19O27O30O33O42O44O52O54O 62O絕對誤差+1O+2O+2O -1O+2O-1O-2O+2O-1O+2O-1O+2O 根據(jù)表41所測試的數(shù)據(jù)，很好的達到了系統(tǒng)的要求。 基本要求（3）：帆板轉(zhuǎn)角穩(wěn)定在4050范圍的測試如表42所示：實驗次數(shù) 12345角度范圍4347O4347O4448O4347O4348O所需時間4s5s6

13、s5s7s 根據(jù)表42所測試的數(shù)據(jù)與角度顯示。在這個測量中，都很好的在10秒內(nèi)，到達題目的要求。4.2.2發(fā)揮部分的測試結(jié)果(數(shù)據(jù))： 發(fā)揮部分（1）： 當間距d=10cm時，鍵盤設(shè)定帆板角度的測試如表33所示： 設(shè)定值 5 15 25 35 4555角度范圍 410 1218 1928 3238 42495159所需時間4s3s3s2s3s4s 對于這部分的測試，基本達到了功能的要求，達到了最大誤差不超過5度。發(fā)揮部分（2）： 當間距d=7cm時，鍵盤設(shè)定帆板角度的測試如表44所示： 設(shè)定值 5 15 25 35 4555角度范圍 611 1022 2232 3240 41525160所需時

14、間4s3s2s3s4s4s 當間距d=9cm時，鍵盤設(shè)定帆板角度的測試如表45所示： 設(shè)定值 5 15 25 35 4555角度范圍 511 1020 2228 2739 41535260所需時間4s4s3s3s5s5s 當間距d=12cm時，鍵盤設(shè)定帆板角度的測試如表46所示： 設(shè)定值 5 15 25 35 4555角度范圍 411 1019 2328 2740 41505360所需時間4s3s4s5s5s6s 當間距d=15cm時，鍵盤設(shè)定帆板角度的測試如表47所示： 設(shè)定值 5 15 25 35 4555角度范圍 29 812 1928 2740 41525160所需時間4s3s5s4s6s7s 對于上述所測試的數(shù)據(jù)結(jié)果，要功能達到所需的要求還有點點的距離。五、設(shè)計總結(jié) 本系統(tǒng)采用STC89C52單片機為控制核心，通過鍵盤控制直流電機風(fēng)扇的風(fēng)速，系統(tǒng)通過風(fēng)扇吹動帆板，控制帆板轉(zhuǎn)角從060o任意變化，同時帆板的角度由模擬旋轉(zhuǎn)角度傳感器檢測，通過ADC0832轉(zhuǎn)換并在LCD1602上顯示。經(jīng)過多次的整體軟硬件結(jié)合調(diào)試，不斷地對系統(tǒng)進行優(yōu)化。液晶屏上能顯示單片機的工作狀態(tài)和其他功能的實現(xiàn)。作品的成功