数控技术毕业论文-帆板控制系统.doc

成都农业科技职业学院毕业论文论文题目：帆板控制系统专业名称：数控技术学号： 0学生姓名指导老师： 2011年12月目录帆板控制系统2摘要2第一章 设计方案的比较311系统方案及方案比较31.2 角度检测模块设计方案选择与论证41.3 驱动模块的方案选择与论证41.4 系统总体方案4第二章 系统的硬件设计与实现42.1 d/a转换器的基本工作原理52.1.1.adc0809特性参数52.1.2adc0809工作原理62.1.3.adc0809引脚功能62.2风扇控制电路72.3数据采集电路72.4角度测量原理82.5控制算法82.6声光报警模块电路的设计原理92.7 键盘电路设计92.8 显示电路设计与原理9第三章 电路与程序设计103.1风扇控制电路设计计算103.2控制算法设计与实现11第四章 测试方案与测试结果124.1调试方法与仪器124.2调试数据124.3测试结果分析12第五章 总结13参考文献13附件1：元件清单14附件2：总体电路图15附件3：设计程序16帆板控制系统摘要： 本设计核心的控制系统是采用单片机at89c52通过对l298n芯片控制风扇转速，从而对帆板角度进行控制。该设计的硬件系统主要由五个模块构成，即角度传感器wdd35d4模块，adc0809数模转换模块，单片机数据处理模块，l298n对直流风扇调速模块，键盘及数码显示五个模块。软件系统主要实现对角度传感器和调速芯片的数据处理以及声光提示控制的功能。通过完整的软硬件控制实现了竞赛课题的基本要求和发挥部分。关键字：at89c52；l298n；ad0809；角度传感器wdd35d4；轴流风扇第一章 设计方案的比较11系统方案及方案比较方案一：以单片机为控制核心，模数转换adc0809和角度传感器wdd354数据采集，数模转换dac0832和电压转换器组成驱动电路，软件编程简单，容易实现电压的该变，但是负载能差。方案二：采用fpga作为系统的控制器。fpga可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高。但由于本设计对数据处理速度要求不高，fpga的高速处理的优势得不到充分体现，且其成本偏高，芯片引脚较多，硬件电路板布线复杂，将加重电路设计和实际焊接的工作。方案三：以单片机为控制核心，模数转换adc0809和角度传感器wdd354数据采集，用功率器件l298n和单片机结合，组成风扇控制电路，可直接与单片机相连，软件编程容易实现改变驱动电压且驱动功率强大，调节占空比，输出电压调节范围大。本系统要求对被测对象进行精确、快速控制，需要芯片有强大的运算功能与实用的控制功能，故选取方案三。 1.2 角度检测模块设计方案选择与论证 方案一：用自制的角度传感器（精密可调电阻+恒流源）。通过测试，精度基本可以满足要求，但在平衡调整时装置的惯性较大，平衡难度大，易出现可调电阻接触不良的状况，且装置的体积较大，在帆板上安装困难。 方案二：采用zcc211n-232传感器，它采用磁阻传感器感应地球磁场的磁分量，从而得出方位角度，测量精度高，运行稳定，但此传感器要求在水平面上工作，而且在每次使用过程中需要通过键盘调零，使用不太方便。 方案三：经以上分析，为保证检测精度和灵敏度，并考虑安装、使用要求，本系统采用方案三。 1.3 驱动模块的方案选择与论证 方案一：采用一个三极管和场效应管设做pwm调速。此方案成本低、功耗低、调速特性优良等优点，可方便地实现pwm驱动，但是 电路复杂不易焊接。方案二：采用lm298n驱动电机。lm298n可驱动2个电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。利用pwm波来实现对输出电压的有效值大小和极性进行控制，具有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大等优点。综合以上两种方案的分析，本系统采用方案二。 1.4 系统总体方案 风扇系统总体设计框图如下：角度传感器adc0809数模转换单片机at89c52键盘控制数码显示l298n直流风扇方案简述： 以单片机作为控制核心，单片机和l298n相结合，基于pwm调速原理，用软件编程改变占空比输出电压，从而改变芯片l298n的驱动电压，达到改变直流电扇风力大小。推动帆板角度的改变，经模数转换反馈给单片机给显示器显示变化的角度。再者通过单片机编程键盘设置实现角度的稳定和变化。第二章 系统的硬件设计与实现 2.1 d/a转换器的基本工作原理d/a转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出。d/a转换器实质上是一个译码器（解码器）。一般常用的线性d/a转换器，其输出模拟电压uo和输入数字量dn之间成正比关系。uref为参考电压。将输入的每一位二进制代码按其权值大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，则所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。adc0809是采用cmos工艺制成的8位八通道逐次逼近型a/d转换器。2.1.1.adc0809特性参数 分辨率： 8位精度： 8位转换时间： 100s增益温度系数： 20ppm/输入电平： ttl功耗： 15mw2.1.2adc0809工作原理输入3位地址信号，在ale脉冲的上升沿将地址锁存，经译码选通某一通道的模拟信号进入比较器；发出a/d转换启动信号start，在start的上升沿将sar清0，转换结束标志eoc变为低电平，在start的下降沿开始转换；转换过程在时钟脉冲clk的控制下进行；转换结束后，eoc跳为高电平，在oe端输入高电平，从而得到转换结果输出。2.1.3.adc0809引脚功能in0in7：8路模拟电压输入。addc、addb、adda：3位地址信号。 ale：地址锁存允许信号输入，高电平有效。 d7d0（2-12-8）：8位二进制数码输出。 oe：输出允许信号，高电平有效。即当oe=1时，打开输出锁存器的三态门，将数据送出。 ur(+)和ur(-)：基准电压的正端和负端。clk：时钟脉冲输入端。一般在此端加500khz的时钟信号。 start：a/d转换启动信号，为一正脉冲。在start的上升沿将逐次比较寄存器sar清0，在其下降沿开始a/d转换过程。 eoc：转换结束标志输出信号。在start信号上升沿之后 eoc信号变为低电平；当转换结束后，eoc变为高电平。此信号可作为向cpu发出的中断请求信号。 2.2风扇控制电路 图1图2 图1为风速控制实物图，图2为风扇控制电路。通过单片机软件编程是半导体功率器件工作在开关驱动方式在线性放大方式，通过pwm控制l298n输出电压，从而实现调速。2.3数据采集电路 图2给传感器的基准电压为5v,角度传感器有效角度为3452，所以1=5v/3452=0.01440.0145v,则给adc0908基准电压为2.5v,2.5v/255=0.0982.4角度测量原理 采用高精度角度传感器wdd35d4实时检测，采用中心轴为圆心，在一张大约s=20*10cm的硬板子画出圆心角为60的量角图，帆板侧面与量角图0刻线平行，帆板随风力大小改变角度，则侧面相对应的角度刻线。然后用量角器测量。2.5控制算法软件编程让半导体功率器件工作在开关驱动方式在线性放大方式，的驱动信号号为高电平时，开关导通，直流电动机电枢纽两端有电压。t1秒驱动信号变为低电平，开关管截止，电机电枢纽两端电压为0。t2秒后号重新为高电平时，开关管的动作重复前面的过程。 图3电动机电枢两端电压平均值u=(t1*u)/(t1+t2) =(t1*u)/t =d*u 占空比：d=t/t2.6声光报警模块电路的设计原理 声光报警电路的电路原理图如图2-3所示。p3是接单片机i/o口，三极管的工作条件要求是“发射结正偏，集电结反偏”。当单片机为高点平时，电流流过电阻r1到三极管9012的基极，明显不满足发射结正偏，处于截止状态，蜂鸣器和发光二极管均不发声和指示报警。当间距 d=10厘米，通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角稳定在 455范围内时，单片机i/o口为低电平小于1.4v，使得三极管的基极为低电平，满足三极管的工作条件“发射结正偏，集电结反偏”，三极管处于饱和状态，蜂鸣器和发光二极光分别发音和指示报警。 图2-3 声光报警电路 2.7 键盘电路设计 键盘采用4*4的行列式键盘。p4的低4位作为行线输出，p4的高4位作为列线输入。扫描采用定时方式，单片机每20ms扫描一次。16个按键分成两大功能区，其中4个作为功能选择键：菜单功能（并作为数值输入确认键）、按键退出、基本功能菜单、发挥部分功能菜单，10个作为转角数值输入，可以以10进制输入帆板转角设定值。 2.8 显示电路设计与原理 输出电压采用7段数码管进行显示。数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字 0 9、字符 a f、h、l、p、r、u、y、符号“-”及小数点“. ”。数码管的外型结构如图3.4（a）所示。数码管又分为共阴极和共阳极两种结构，分别如下图所示。 显示采用四位数码管进行显示。该设计只需显示帆板的角度，数码管能满足要求，数码管显示电路简洁编程容易简单。 第三章 电路与程序设计 3.1风扇控制电路设计计算 这部分电路主要靠软件编程控制芯片l298n来改变风扇转速。 程序控制流程图： 开始a/d转换角度显示数据初始化控制风扇调整角度结束 3.2控制算法设计与实现软件编程控制pwm，所以以下两点算法1、 定时中断模块：pwm输出波形形成。2、控制调节模块：通过设定值和实测值的比较来改变脉冲波的占空比，该数据的调节分为简单比例调节pp和比例积分调节pi。调节公式分别为：yk=yk1+kp*ekyk=yk1+kp*ek+ki*ek2yk：要输出的数据yk1：上次输出的数据ek：设定值和实测值的差值ek1：上次的ek值ek2：ek-ek1的差值kp：比例系数ki：积分系数3.3总体电路见附件2第四章 测试方案与测试结果 4.1调试方法与仪器a.手动调试：手转动帆板时，测量实际转动角度是否与显示器显示角度相同。b.软件调试：经软件编程，使用键盘控制风扇风力大小推动帆板转动角度，测量其是否与显示器显示角度相同。c.仪器：量角器 、秒表 4.2调试数据距离电机电压显示角度角度实转角度误差实现时间10cm3.5v00010cm4.5v50450.18.5s10cm4.8v60560.064.5s7cm4.25v41450.084.3s7 cm5.6v57560.094s15 cm3.5001 4.2s15 cm4.545430.054.1s15 cm5,5650450.044.4s 4.3测试结果分析 经过调试，得出的数据，硬软件现结合，实现较为理想的值在允许误差范围内，测量器材部分是手工制作，有很多地方待完善，存在一定量的人为误差。在软件数据处理上掌握的还不够精准，需要进一步完善。第五章 总结 本系统采用单片机为核心，运用pmw来控制风扇风力大小。通过数据采集电路进行模数转换，然后运用软件编程实现键盘控制和反馈系统的自动控制，在设计过程中，因为使用普通器件，元器件较多，而且输出功率太低，所以力求硬件电路简单，努力从工艺上下功夫，并能用对某些电路进行创新。本系统达到了竞赛题目中的各项基本要求。同时，设计过程中遇到了许多困难，设计上还存在许多值得改进的地方。通过本次设计，我们深刻体会到共同协作和团队精神的重要性，提高了自己解决问题的能力。参考文献：1 高吉祥. 全国大学生电子设计竞赛培训系列教程基本技能训练与单元电路设计. 北京：电子工业出版社，2009 2 黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛训练教程. 北京：电子工业出版社，2005 3 何希才. 常用电子电路应用365例. 北京：电子工业出版社，2006 4 刘仁宇. 模拟电子技术. 北京：机械工业出版社，2001 5 孙肖子. 实用电子电路手册（模拟电路部分）. 北京：高等教育出版社，1991 6 张鑫，王翠萍. c语言程序设计基础. 北京：北京理工大学出版社，2006 7 张培仁. 基于c语言c8051f系列微控制器原理与应用. 北京：清华大学出版社，2007 8 徐仁贵，廖哲智. 单片机微型计算机应用技术. 北京：机械工业出版社，2007 9 邹其洪，黄智伟，高嵩. 电工电子实验与计算机仿真. 北京：电子工业出版社，2003 10 潘琢金，施国君. c8051fxxx高速soc单片机原理及应用. 北京：北京航空航天大学出版社，2002 附件1：元件清单附件2:电路总图附件3：设计程序附件1：元件清单元件清单风扇控制电路元件清单元件名型号数量备注单片机at89c521瓷片电容30p2电解电容1uf1晶振12m1电阻1k1功率驱动器l298n1可编程控制直接输出电压风扇电机直流电动机12v1数据采集及转换角度传感器wdd3541精密传感器，精度2%模数转换adc08091显示电路元件清单数码管五位共阳1排阻8*1k1电阻3*2k3三极管90153键盘两按键1声光提示元件清单蜂鸣器after1发光二极管led1附件2：总体电路图附件3：设计程序#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar code duan_ma=0x81,0xcf,0x92,0x86,0xcc,0xa4,0xa0,0x8f,0x80,0x84;/共阳uchar code wei_ma=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,;uchar data dx3=0x5,0x6,0x7;uint count=2,jishu,flag;uint data=0,temp;uchar t=0;uchar m1=0;uchar tmp1;uint temp,data_d=0;sbit clk=p33;sbit oe=p32;sbit eoc=p31;sbit st=p30;sbit en1=p36;sbit s1=p34;sbit s2=p35;sbit add_key=p25;sbit set_key=p26;void motor(uchar index, char speed)if( speed0;j-);tik()uint i;dx0=data_d%10;dx1=data_d/10%10;dx2=data_d/100;for(i=0;i3;i+)p2=wei_mai;p0=duan_madxi;delay(120); /p2=0xff; motor(1,data_d);delay(5000);dishu()if(add_key=0)delay(120);while(add_key=0);data_d=data_d-10;tik();tek()uint i;dx0=data_d%10;dx1=data_d/10%10;dx2=data_d/100;for(i=0;i3;i+)p2=wei_mai;p0=duan_madxi;delay(120); p2=0xff;motor(1,data_d);delay(5000);gaoshu()if(add_key=0)delay(120);while(add_key=0);data_d=da