帆板控制系统设计与总结报告.doc

帆板控制系统设计与总结报告摘要本系统采用stm32单片机为控制核心，通过角度传感器检测帆板角度，并利用内置的pwm产生直流风扇的调速信号，再由lm298n驱动直流风扇，使帆板达到设定的060内的任意角度。该系统具有驱动电流稳定、人机界面友好、响应速度快、性价比高、工作稳定可靠等优点。关键字：stm32、角度传感器、lm298n、直流风扇。abstract the system uses stm32 microcontroller as control core, through the angle sensor test the panels, and the angle using built-in pwm produce dc fan speed control signal, again by lm298n drive dc fans, realize 0 to 60 angle within reach a set with fans. the system has driven stable current, friendly man-machine interface, fast response time, high performance/price ratio, stable, reliable, etc.key word: stm32, angle sensor, lm298n, dc fan.目录 一、方案的设计与论证1二、理论分析与计算11.角度测量的基本原理12.风扇控制电路23.控制算法3三、硬件电路设计31.硬件系统总体设计32.风扇控制电路43.帆板角度检测电路54.声光提示电路55.显示接口电路6四、软件设计61.系统软件总体设计62.控制算法设计与实现73.多级菜单的设计与实现7五、测试方案与测试结果81.测试仪器82.测试方法与测试结果分析8参考文献9一、方案的设计与论证根据题目要求，整个系统可分为控制系统、液晶显示模块、键盘输入模块、电源系统、帆板角度检测模块和动力执行系统。角度检测模块通过角度传感器检测帆板倾角，并将信号实时传回控制器处理。控制部分的作用是接受并处理键盘输入的控制信息以及检测信号，根据检测的角度控制电机的转速来改变风力的大小，从而控制帆板与垂线的倾角。各模块构成系统框图如图1所示。图1 系统框图本系统采用stm32f103rbt6单片机，其具有72mhz的高速频率、512k的flash和20k的sram。是运算功能强大的32位单片机，足以满足本系统对信息处理速度与能力的要求。角度检测模块采用导电塑料角度传感器wdy35，根据角度的变化改变传感器输出的电压，再通过a/d转换将数据传送给单片机，实现检测角度的功能。动力系统为12v、2.3a的直流风扇，其风力较强，执行速度较快，加速性能好，调速范围广，易于平滑调节，易于控制。采用l298n作为驱动芯片，用单片机一个i/o口输出pwm即可提供控制信号。电源系统由220v经变压器变压到12v，再由稳压电路lm2596t-5和稳压电路lm2596t-12两路分别输出5v和12v。显示模块采用液晶显示屏lcd12864，具有128*64的分辨率，其占用资源少，功耗小，体积小，显示信息量大，能灵活多变的显示多种信息。二、理论分析与计算1.角度测量的基本原理如图2所示，根据题意帆板固定在与角度传感器连接的转轴上。把帆板看做一个质点，当帆板不受外力时，帆板受重力和轴的拉力，受力平衡。当帆板被风扇风力吹动时，帆板受重力、推力与转轴的拉力。做受力分解为f边的对角，所以倾角与推力f成正比。若已知帆板所受风力f，则可算出帆板倾角。反之若已知帆板倾角也可算出达到此角度所需的风力值。图2 受力分析角度传感器wdy35原理为旋转式滑动电位器，其测量角度范围为0-360，电压变化范围为0-5v。角度传感器1脚和3脚间为3.3v电压，2脚输出的电压值比上3.3v再乘以最大测量角度360则可计算出检测角度。根据题目要求最大测量角度为60，则uad在00.55v之间，提供数据给单片机自带的a/d。uad3.3=360本单片机stm32f103rbt6拥有3个adc，均为12位逐次逼近型的模拟数字转换器，adc的结果可以左对齐或右对齐方式储存在16位数据寄存器中。最大转换速率为1mhz，也就是转换时间为1s（在adcclk=14mhz，采样周期为1.5个adc时钟下得到）。2.风扇控制电路采用l298n驱动芯片驱动直流风扇，l298n是st公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46v；输出电流大，瞬间峰值电流可达3a，持续工作电流为2a；内含两个h桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；采用标准ttl逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作。由于直流电机启动瞬间电流大于l298n的峰值电流3v，且持续工作电流接近2a，芯片有较严重发热现象，经测试修改后，采用两路l298n驱动芯片，经实验，问题解决。3.控制算法根据题目，帆板达到角度即要速度也要精度。经过实际测试与考虑，决定用开环和闭环结合的方式，即调试好角度传感器后，先开环检测达到设定角度t的pwm值，修改初始pwm占空比，再加闭环去微调风力。达到角度的流程原理为：先以较大加速度输出与设定角度t近似的提前测试的pwm值，当角度差510（由设定角度决定程序档位）达到时（加速度改变临界角度），降低加速度a，实时反馈角度传感器的数值，使帆板在最大误差范围内渐渐趋近于设定值，从而达到减少时间的题目要求。如图3。图3 加速度变化示意图三、硬件电路设计1.硬件系统总体设计本系统包括直流风扇驱动电路、电源电路、声光提醒电路、12864液晶显示电路，系统以stm32f103rbt6单片机作为主控芯片，完成所有电路模块的检测和驱动功能。如图4所示。图4 硬件总体电路2.风扇控制电路如图5，风扇控制电路采用两路l298n驱动芯片并为一路的方式，增大了最大输出电流。图5 风扇控制电路3.帆板角度检测电路角度传感器原理为旋转式滑动电位器，型号为wdy35，角度传感器1脚和3脚间为3.3v电压，2脚输出的电压值除以3.3v再乘以最大测量角度360则可计算出检测角度。根据题目要求最大测量角度为60，则uad在00.55v之间变化，其值提供给stm32自带的a/d。如图6所示。图6 角度传感器原理4.声光提示电路根据要求，当帆板的角度达到455范围内，由单片机控制三极管开关使能端，此时蜂鸣器鸣响、发光二极管点亮，起到提示的作用。如图7所示。图7 声光提示电路5.显示接口电路系统采用了st7920的128*64液晶显示模块，该模块内置了汉字字库，有串行和并行两种接口方式，并由模块的psb引脚控制。当psb接地时为串行方式，接高电平时为并行方式，本系统设计中采用了串行接口方式。如图8所示。图8 显示电路四、软件设计1.系统软件总体设计在软件设计中，将系统分为5个功能模块，通过按键进行功能的选择和退出，每个功能都有对应的显示界面，由lcd12864模块进行显示。系统主程序流程图如图9所示图9 软件流程图2.控制算法设计与实现软件控制以反馈闭环控制的思想为核心，使角度逐渐接近设定角度。但根据题目在误差小的情况下还要快速达到设定角度，经研究决定采用前期开环后期闭环的算法。前期开环是指电机初始pwm采用多次试验获得的近似值，接近设定角度时降低加速度，改用闭环控制，使帆板渐渐趋近于设定值由于帆板在不同角度时动力臂和阻力臂都不同，所以不同的设定角度所需的pwm初值以及达到临界值后微调的加速度也不同，把060分为6档，逐档调试到最佳值后，能最大限度的节省时间，使帆板又快又准的达到题目要求。3.多级菜单的设计与实现本系统设计的特色之一是采用了多级菜单界面的设计，每个界面对应一个功能，由按键实现功能设置和切换，每个界面的设计五、测试方案与测试结果1.测试仪器万能表量角器尺子示波器rigol ds1052d2.测试方法与测试结果分析测试方法：运行题目对应的程序，观察角度变化规律，反复修改程序，使时间最短。（1）角度传感器的精度与准确度表1 实际角度21624374260显示角度21624364261如上表数据可知，误差几乎为0。（2）设定角度与实际角度的误差表2 设定角度7132734424558实际角度6122636434558如上表数据可知，最大误差为2，符合题目要求。（3）间距d=10时，在误差值内到达设定值的速度表3设定角度1723