课程设计（论文）-基于STC89C52单片机的帆板角度控制系统.doc

目录一、 引言1二、系统方案1（一）方案论证与比较11、主控电路12、角度传感器的选用23、按键选用24、显示25、电机的驱动26、风扇37、电源3（二） 总体设计方案3三、理论分析与计算3（一）距离计算3（二）角度计算4（三）控制算法4四、电路与程序设计4（一）硬件设计41、总体电路图（见附录1）42、主控电路43、风扇控制54、显示模块55、声光提示模块66、传感器模块6（二）软件设计61、风扇控制算法设计62、声光提示算法设计73、系统流程图7五、系统测试7（一）测试方法与仪器7（二）测试结果81、功能要求测试82、按键控制风力等级测试8（三）测试结果分析9六、设计总结9参考文献9附录1 硬件原理图10附录2 程序代码11帆板控制系统摘要：报告介绍基于stc89c52单片机的帆板角度控制系统，系统可以利用风扇控制装置对帆板角度进行控制，并通过lcd12864实时显示角度变化。还可依据设定的帆板角度信息智能控制风扇转速，在很短时间内（5秒以内）动态调整帆板摆角，同时实时显示帆板角度等信息。系统包括：单片机主控模块、角度信号采集模块、键盘输入模块、显示模块、电源模块、风扇电机驱动模块。系统主控模块采用性价比高的单片机最小系统；选用adxl345加速度传感器完成系统角度信号采集功能；利用lcd12864实时显示角度变化的信息，5*6矩阵键盘完成风力等级和角度设定的输入；系统电源模块采用两路稳压输出电路（5v、15v），提供控制系统与风扇电机的工作电源；风扇电机采用l298n模块驱动。本系统制作成本较低、工作性能控制稳定，能很好达到设计要求。关键词： stc89c52；加速度传感器；lcd12864；l298n一、 引言单片机又称单片微控制器，单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度等物理量的测量。本系统就是以单片机为核心建立起来的，要实现对帆板转角大小的控制，其归根就是对风扇的控制，帆板的转角随着风扇风力的变化而变化，角度传感器给单片机不同的角度检测信号，经单片机处理后在lcd液晶上显示，同时给出声光提示。系统体现了模块化的设计理念，将单片机和各个器件结合在一起，完成系统化的设计，充分发挥了单片机的可靠性、可操作性和强大处理功能。二、系统方案（一）方案论证与比较1、主控电路【方案一】采用可编程逻辑器件fpga作为控制器。fpga可以实现各种复杂的逻辑功能，io资源丰富，易于进行功能扩展。但本系统不需要复杂的逻辑功能，且从使用、功耗及经济的角度考虑我们放弃了此方案。【方案二】stc89c52 单片机采用stc89c52 单片机作为主控器，其算术功能强，软件编程简洁灵活、自由度大 ，可用软件编程实现各种逻辑控制功能，且其功耗低、技术成熟，成本低廉。本系统主要是进行信号的处理以及风扇电机的控制。综合考虑，本系统设计的功能依靠51单片机均可实现，故采用方案二。2、角度传感器的选用【方案一】用uzz9001y与kmz41连接构成一个角度测量系统。电路组成繁琐，制作较困难，稳定性较差。【方案二】倾角传感器。该集成芯片为专用的水平倾角测量芯片，具有体积小、灵敏度高等优点，但是输出为模拟信号，需要用到da转换，操作间为复杂，且占用i/o口较多，不利于本统功能模块的操作。【方案三】用adxl345数字加速度传感器。adxl345是一款小而薄的超低功耗的3轴加速度计，可测量帆板在斜面所受重力加速度在斜面上的分量，进而转换成倾斜角，测量精度较高。adxl345输出信号为数字信号，避免了a/d转换，操作简单；此外adxl345只需用到两个i/o口，占用资源少，能满足本设计的要求。本系统选择了第三种方案。3、按键选用【方案一】采用独立键盘。多个使用时，线路连接不便，操作繁琐。【方案二】采用5*6的距阵键盘，可输入的值比较多，可设定的功能也多。在本系统中需要多个键，系统选择了第二种方案。4、显示【方案一】使用数码管显示。要完成功能电路的显示需要多个数码管，此方案占用i/o口多，连接不便，显示效果差，功耗大。【方案二】用lcd1602液晶显示。1602是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式，1602分为上下2行，每行显示16个字符。驱动简单，但不能显示汉字。【方案三】用lcd12864液晶显示。lcd12864功能强大，不仅能显示字母、数字、符号，还可以显示汉字和图形，最多可显示4行，每一行最多显示8个中文，16个半宽字体。（最好选用带字库的，方便编写程序。）lcd12864和lcd1602使用方法类似，驱动简单，耗电量小，无辐射危险，显示直观、抗干扰能力强，但体积较大。本系统选择了第三种方案。5、电机的驱动【方案一】用分立元件构成的h桥电路利用分立三极管元件构成的h桥电路结构简单，但驱动能力有限，所带负载不可过大。【方案二】采用l298n集成h桥芯片。在l298n集成芯处中集成了两套h桥电路，可直接驱动两路直流电机，利用单片机产生的pwm信号，可方便地进行电机调速。【方案三】用uln2003功率放大器件。uln2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅npn 达林顿管组成。通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可达到不同的放大的要求，放大后能得到较大的功率。本系统设计采用方案二。6、风扇【方案一】用普通的散热风扇。风力小，风力流失大，很难达到系统要求。【方案二】用带通风通道的风扇。风力集中，流失小，能很好的吹动帆板。本系统设计采用方案二。7、电源【方案一】自制稳压电源。采用变压器与三端稳压器相结合，使220v电压经变压器变压，降为系统所需电压，过整流桥并利用两个大的电容滤波，从而得到较为稳定的直流电压。自制电源体积大，需接入220v电压，电压不稳定，使用不方便。【方案二】三块6v蓄电池串联供电。直接选用所需型号蓄电池，能量足，供电稳定，高低温适应性强。本系统选用第二种方案。（二） 总体设计方案系统功能的实现，以stc89c52单片机为核心，在单片机系统实现的输入输出和显示功能的基础上，由单片机的内置逻辑和运算功能，加上外围电路得以实现。根据设计任务要求，该电路的总体框图可分为几个基本的模块，总体框图如下图21所示：图21总体框图三、理论分析与计算（一）距离计算帆板尺寸：长 15cm，宽 10cm。风扇到帆板的距离：715cm。本系统帆板转轴直径0.5cm（二）角度计算帆板转角：060度。帆板转角测量原理：风扇吹动帆板转动，产生帆板角度变化，利用adxl345数字加速度传感器测出三维坐标x 、y 、z的变化，将加速度传感器固定在帆板上，从而通过固定y，利用x 、z的关系求出角度。角度=(180*atan(temp z/temp x)/3.14。角度的测量范围是090，可以满足系统要求。（三）控制算法首先利用键盘控制风扇的转速，使帆板能够偏转一定的角度，再利用加速度传感器测出帆板的角度，送显示电路显示。具体控制算法采用c语言编程实现，具体程序代码见附录2。四、电路与程序设计（一）硬件设计1、总体电路图（见附录1）2、主控电路系统采用stc89c52单片机构成主控制电路，电路如图41所示：图41主控电路3、风扇控制风扇电机选用l298n模块驱动，并由4*4按键矩阵控制pwm，改变电机速度，达到控制风扇风力大小的目标。l298n驱动模块如下图42所示：图42风扇控制4、显示模块使用lcd12864显示，如下图43所示：图43显示模块5、声光提示模块图44声光提示模块6、传感器模块图45传感器模块（二）软件设计1、风扇控制算法设计风扇控制算法如下图46所示：图46风扇控制算法2、声光提示算法设计声光提示算法如下图47所示：图47声光提示算法3、系统流程图整个系统程序流程图如图48所示：图48系统流程图五、系统测试（一）测试方法与仪器利用四位半数字万用表、秒表、量角器等设备通电对系统进行测试。（二）测试结果1、功能要求测试序号指标（目标值）实测值1显示范围为0-60，实时显示。0-662分辨力为2，绝对误差5。分辨1误差33使帆板转角稳定在455范围内，制过程在10 秒内完成，实时显示，并由声光提示5秒4在5 秒内达到设定值5秒表 12、按键控制风力等级测试 风力等级角度w角度w角度w000051111091011152322232025293125373739304039403547464340494951455152535055565255555754605859576557605870606259756163608064636485656465906565659565656599666666表 2（三）测试结果分析本系统总体性能良好。但是也有不足的地方，由于帆板摆动大的问题，当系统工作时，影响到转角实际测量的精确性。这个地方有待改进。六、设计总结本方案的系统设计基本符合2011年全国大学生电子设计竞赛试题（f题）的要求。通过本次设计，深深感到理论与实践之间的差距。很多知识点在理论上完全理解了，但到具体的电路设计与实现中，会出现很多一时无法理解的问题，要通过不断测试修改软硬件，才能用理论来指导实践，进一步深入理解理论。参考文献1 郭天祥. 51单片机c语言教程. 北京：电子工业出版社，2009年.2 阎石. 数字电子技术基础（第四版）. 北京: 高等教育出版社，1997年.3 李建忠单片机原理及应用西安：西安电子科技大学出版社，2002年38附录1 硬件原理图附录2 程序代码主函数/*/#include#include control.h#include 12864.h#include adxl.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit key=p27;void timer_init()tmod=0x10;th1=(65535-100)/256;tl1=(65535-100)%256;ea=1;et1=1;tr1=1;void main() char devid;timer_init();lcd_12864_init();init_adxl345(); /初始化adxl345devid=single_read_adxl345(0x00);/读出的数据为0xe5,表示正确while(1) adxl345(); if(key=0) keyscan_1(); else keyscan(); /*/controh.h文件#ifndef _contral_h_ #define _contral_h_extern signed char pwm;extern void delayms(unsigned int xms);extern void keyscan();extern void keyscan_1();#endif/*/control.c文件#include#include control.h#include 12864.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define keydata p0sbit a1=p24;sbit a2=p25;sbit ena=p26;signed int count=0; signed char pwm=0;signed char anjian=0;uchar numshi=0;uchar numge=0;void delayms(unsigned int xms)unsigned int i,j;for(i=0;ixms;i+)for(j=0;j=100)count=0;if(countpwm)ena=1;elseena=0;/*/12864.h文件#ifndef _12864_h_ #define _12864_h_/extern void lcd_writestring(unsigned char *str);/向lcd发送一个字符串,长度64字符之内。extern void write_12864_cmd(unsigned char cmd ); /向液晶写数据extern void write_12864_data(unsigned char dat); /向液晶写数据extern void lcd_12864_init(); /初始化液晶extern void write_12864_addr(unsigned char x ,unsigned char y);/写液晶的地址extern void delayms_12864(unsigned char xms); /延时函数/extern void write_12864_addr(unsigned char x ,unsigned char y);/写液晶的地址 #endif/*/12864.c文件/*12864指令：0x01/将ddram填满“20h”，并且设定ddram的地址计数器（ac）到“00h”0x02/设定ddram的地址计数器 （ac）到“00h”， 并且将游标移到开头原点位置；这个指令并不改变ddram的内容0x04/读写后,ac减一,向左写0x06/读写后,ac加一,向右写0x10/光标向左移动,ac减一0x14/光标向右移动,ac加一0x18/显示向左移动,光标跟着移动 0x1c/显示向右移动,光标跟着移动0x0c/整体显示开，游标关，游标位置反白不允许0x0e/整体显示开，游标开，游标位置反白不允许0x0f/整体显示开，游标开，游标位置反白允许0x08/关显示,关光标,关光标闪烁0x30/8位数据端口，基本指令操作0x34/8位数据总线,扩展指令集0x20/4位数据总线,基本指令集0x24/4位数据总线,扩展指令集 */#include#include 12864.h#include control.h#define lcd_data p1 /定义液晶数据端口sbit lcd_psb=p37; /液晶串行数据和并行数据选择端sbit lcd_en=p34; /液晶en使能端sbit lcd_rs=p35; /液晶的rssbit lcd_rw=p36;/液晶的rw读写端口void delayms_12864(unsigned char xms) /延时函数unsigned char i,j;for(i=0;ixms;i+)for(j=0;j110;j+);bit check_12864_busy()/检测液晶忙不忙 bit result=0; lcd_rs=0; lcd_rw=1; lcd_en=1; delayms_12864(3); result=(bit)(lcd_data&0x80); /取出数据端口的最高位 lcd_en=0; return result;void write_12864_cmd(unsigned char cmd ) /写指令 while(check_12864_busy(); /检测液晶忙不忙 lcd_rs=0; /rs=0为写命令lcd_en=0;lcd_rw=0;lcd_data=cmd; /把指令给数据端口delayms_12864(1);lcd_en=1;delayms_12864(1);lcd_en=0; void write_12864_data(unsigned char dat) /向液晶写数据 while(check_12864_busy(); /检测液晶忙不忙 lcd_rs=1; /rs=1为写数据lcd_en=0;lcd_rw=0;lcd_data=dat; /把数据给数据端口delayms_12864(1);lcd_en=1;delayms_12864(1);lcd_en=0; void lcd_12864_init() /初始化液晶lcd_psb=1;write_12864_cmd(0x30);delayms_12864(5);write_12864_cmd(0x0c);delayms_12864(5);write_12864_cmd(0x01);delayms_12864(5); void write_12864_addr(unsigned char x ,unsigned char y)/写液晶的地址 unsigned char addr;if(x=0) /如果x=0，地址为液晶第一行x=0x80; else if(x=1) /如果x=1，地址为液晶第二行x=0x90;else if(x=2)/如果x=2，地址为液晶第三行x=0x88;else if(x=3) /如果x=3，地址为液晶第四行x=0x98;addr=x+y;write_12864_cmd(addr); /*/adxl.h文件#ifndef _adxl_h_ #define _adxl_h_/extern void jiaodu();/角度转换/extern void display_x(); /x轴/extern void display_y(); /y轴/extern void display_z();/z轴extern void init_adxl345();/延时函数extern unsigned char single_read_adxl345(unsigned char reg_address);/extern void multiple_read_adxl345(void);extern void adxl345(); #endif/*/adxl.c文件#include #include /keil library #include /keil library#include #include 12864.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define dataport p1 /lcd1602数据端口sbit scl=p20; /iic时钟引脚定义sbit sda=p21; /iic数据引脚定义sbit led=p22;#defineslaveaddress 0xa6 /定义器件在iic总线中的从地址,根据alt address地址引脚不同修改 /alt address引脚接地时地址为0xa6，接电源时地址为0x3atypedef unsigned char byte;typedef unsigned short word;byte buf8; /接收数据缓存区 uchar ge,shi,bai,qian,wan; /显示变量int dis_data; /变量void delay(unsigned int k);void initlcd(); /初始化lcd1602void init_adxl345(void); /初始化adxl345void writedatalcm(uchar dataw);void writecommandlcm(uchar cmd,uchar attribc);/void displayonechar(uchar x,uchar y,uchar ddata);void conversion(uint temp_data);void single_write_adxl345(uchar reg_address,uchar reg_data); /单个写入数据uchar single_read_adxl345(uchar reg_address); /单个读取内部寄存器数据void multiple_read_adxl345(); /连续的读取内部寄存器数据/-void delay5us();void delay5ms();void adxl345_start();void adxl345_stop();void adxl345_sendack(bit ack);bit adxl345_recvack();void adxl345_sendbyte(byte dat);byte adxl345_recvbyte();void adxl345_readpage();void adxl345_writepage();float