2011全国大学生电子竞赛最完美设计报告.doc

2011全国大学生电子设计竞赛设计报告题目：帆板控制系统摘要：自动控制系统在机械、机器人平衡运动控制研究中有着举足轻重的作用和地位，国内外都有进行广泛的研究，在实际生活、军事、工业生产中的应用更是非常广泛。本项目是设计一个帆板控制系统，编写基于STC89C52单片机控制程序，通过对电机的转速控制，调节风扇的风力大小，从而改变帆板的转角，再用角度传感器测试的数据，传送到单片机，并用LCD1602的液晶显示器实时显示数据。关键词：MMA7455角度传感器 STC89C52单片机 智能控制 帆板Windsurfing Broad Control SystemAbstract：Automatic control system is acted as an important role in the mechanical, robotic motion control balance research. Extensive research has been carried out in human life, military, industrial production. The project is proposed to design a windsurfing broad control system based on a MCU STC89C52 programming. By controlling the motors rotating speed, different wind speed can be produced, which results in changing the windsurfing broad position, turning angle . MMA7455 angle sensor is used for angle detection and transfer the data to the MCU, while the turning angle can be displayed on LCD(LCD1602) in real-time. Key word： MMA7455 angle sensor, STC89C52, Intelligent control, Windsurfing目录一. 设计要求 31. 基本要求32. 发挥部分3二. 方案的设计与论证 31. 总体方案的描述32. 各模块系统电路的比较与选择3三. 硬件电路设计与分析 71. 硬件系统组成及方框图72. 主要模块电路设计与分析7四. 系统程序设计与工作流程101. 检测角度传感器子程序102. 扫描按键子程序113. 调制PWM脉宽中断子程序114. 主程序12五. 理论分析及测试结果 121. 风扇控制电路122. 倾角检测原理123. 控制算法12六. 测试方案及结果分析 131. 测试方法132. 测试仪器133. 测试结果分析13七. 结论 13一、设计要求1、基本要求（1）用手转动帆板时，能够数字显示帆板的转角。显示范围为060,分辨率为2，绝对误差5。（2）当间距d=10cm时，通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角能够在060范围内变化，并要求实时显示。（3）当间距d=10cm时，通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角稳定在455范围内。要求控制过程在10秒内完成，实时显示，并由声光提示，以便进行测试。2.、发挥部分（1）当间距d=10cm时，通过键盘设定帆板转角，其范围为060。要求在5秒内达到设定值，并实时显示。最大误差的绝对值不超过5。（2）间距d在715cm范围内任意选择，通过键盘设定帆板转角，范围为060。要求在5秒内达到设定值，并实时显示。最大误差的绝对值不超过5。（3）其他。二、方案的设计与论证1、总体方案的描述据对题目要求的分析，我们得到初步的思路，系统总体框图如下1-1图所示：显示模块控制器模块角度传感器模块电机模块风扇帆板模块键盘模块声光模块总体方案的描述：方案设计的思路就是先由检测系统检测出帆板的倾斜角度，判断此角度是不是在一定的范围之内，是否需要角度调整系统对帆板角度进行调整。若需要调整，角度调整系统能够在一定时间内调整角度，同时显示系统会显示倾角度数。2、各模块系统电路的比较与选择（1）、角度传感器的比较与选择方案：角度传感器KMZ41与信号调理芯片UZZ9000组成的角度采集模块。KMZ41与信号调理芯片UZZ9000一起,能够对180范围内的角度信号进行测量,并利用SPI方式提供11位的角度信号输出。电路图如图2-1所示。方案：采用SFT245AL双轴倾角传感器测量平台的倾斜度数。SFT245AL输出方式 RS485 （或TTL 或RS-232）具有零点设定， 输出频率可调， 波特率可选等功能。体积小、重量轻，全部采用工业器件性能稳定、可靠，抗冲击，抗震动，高性价比，易于集成宽电源电压。SFT245AL 双轴倾角传感器测量范围45 度。方案：采用MMA7455数字三轴加速度传感器模块。MMA745 是一款数字输出（I2C/SPI）、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度计，具有信号调理、低通滤波器、温度补偿、自测、可配置通过中断引脚（INT1或INT2）检测0g、以及脉冲检测（用于快速运动检测）等功能。0g 偏置和灵敏度是出厂配置，无需外部器件。可使用指定的0g 寄存器和g-Select 量程选择对0g 偏置进行校准， 量程可通过命令选择 3个加速度范围（2g/4g/8g）。MMA7455 数字三轴加速度传感器模块核心为飞思卡尔公司的MMA7455L数字三轴加速度传感器，该模块设计使用官方推荐设计，板卡线路经过高电磁兼容设计和优化，具有输出精确，体积小，工作可靠，各种标识清晰，扩展性好等特点。电路图如图2-2所示。对比之下，角度传感器KMZ41与信号调理芯片UZZ9001组成的角度采集模块结构电路较为复杂，性价比不够高不采用。而SFT245AL双轴倾角传感器测量范围为45 度。本题的要求倾斜角在60度范围之内，所以此传感器不满足题目要求。而MMA7455传感器体积小，重量轻，放在帆板上不会对角造成太大的影响，所以我们选择方案3，采用MMA7455数字三轴加速度传感器来测量帆板倾斜角度。图2-1 角度传感器KMZ41与信号调理芯片UZZ9000组成的角度采集模块图（2）、显示系统方案的比较与选择方案：用数码管进行显示。数码管由于显示速度快，使用简单，显示效果简洁明了而得到了广泛应用。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管多出一个发光二极管单元；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极、共阴极数码管。由于本电路要求要显示的数位较多，而四位数码管的硬件电路就很复杂，且只能显示单纯的数字，显示量少，不能完全显示出数据。方案：使用液晶12864。带中文字库的128*64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128*64，内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8*4行16*16点阵的汉字，也可以完成图形显示，低电压低功率是其一显著特点。有该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形店镇液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。方案：用LCD1602液晶进行显示。LCD由于其显示清晰，显示内容丰富、清晰，显示信息量大，使用方便，显示快速而得到了广泛的应用。1602是能显示2行，每行16个字符，字符包括英文字符及阿拉伯数字。但其不能显示汉字。对比之下，12864虽然性能比较优良，使用的范围也比较广，但本设计不用显示文字，1602已经能够符合要求，从经济的角度考虑故而我们选择了LCD1602来显示。（3）、按键模块 方案：用周立功按键，按键比较灵敏、驱动能力强、程序可灵活改动来控制按键。但由于周立功芯片的硬件电路复杂，程序占用的内存空间较多，增加硬件成本。 方案：用矩阵按键，电路简单，程序占用的内存少，低功耗，低成本。因此此系统设计选用方案。（4）、声光模块方案：采用DS1420可分段录放音模块，能够给人以直观的提示，但DS1420录放音模块价格比较高。方案：采用蜂鸣器和发光二极管，在一定程度上能满足要求，而且易于实现，成本也不高，我们出自经济节约方面考虑，所以采用方案。（5）、角度调整系统方案的比较与选择：方案：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案：采用集成芯片L298N。L298N是SGS（通标标准技术服务有限公式）公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。其有控制精度高、稳定性好、响应速度快等优点，使用它和PWM技术可控制驱动电流大小以达到电机速度的调整。兼于方案调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案。（6）、控制系统方案的比较与选择方案：采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能，具有规模大、密度高 、体积下、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展的特点；采用并行的输入输出方式可提高系统的处理速度，适合作为大规模可能控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据处理速度的要求也不是很高，故从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。方案：用单片机作为直流电机的控制单元。使PWM信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而提高电机的转角精度单片机完成控制算法，再将计算结果转化为 PWM信号输出到舵机，由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。 综上方案所述，控制系统选择方案（7）、系统总体方案的确定经过上述各模块系统电路方案的比较与选择，系统的总方案最终确定如下：（1）控制器模块：采用STC89C52控制；（2）角度传感模块：采用MMA7455数字三轴加速度传感器模块（3）显示模块：采用LCD1602液晶显示；（4）按键模块：采用4X4矩阵键盘；（5）声光模块：采用蜂鸣器和发光二极管；（6）电机驱动模块：采用L298N驱动三、 硬件电路设计与分析1、硬件系统组成及方框图由以上方案的论述可得，硬件系统主要由单片机STC89C52控制模块、MMA7455数字三轴加速度传感器模块、LCD1602液晶显示模块、直流电机驱动模块、键盘模块和声光模块组成。其系统结构图如下图3-1所示：2、主要模块电路设计与分析（1）、控制电路系统硬件以STC89C52单片机为核心，STC89C52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。MMA7455传感器以电信号形式传给单片机，从而实现单片机对调控系统的控制作用。为了方便单片机引脚的使用，我们将单片机的所有引脚用接口引出。具体控制电路的电路图如下图3-2所示：图3-2 控制电路的电路图（2）、显示系统电路 显示系统LCD1602与单片机控制系统的连接电路图如图3-3所示：图3-3 LCD1602显示电路 LCD1602A(16*2)模拟口线接线方式 连接线图: |D0-P0.0 | D4-P0.4 | RW -P1.4 | |D1-P0.1 | D5-P0.5 | RS -P1.3| |D2-P0.2 | D6-P0.6 | E -P1.5 | |D3-P0.3 | D7-P0.7 | （3）、电机驱动电路的设计电路采用PWM驱动形式。电机驱动电路负责驱动风扇。PWM调制可以实现风扇的转速控制。电机运行况IN APWM加速HH减速HL停止LX用L298芯片驱动，电路图如3-4。图3-4 电机驱动电路（4）、角度检测系统电路角度检测这里主要采用飞思卡尔公司的MMA7455L数字三轴加速度传感器，电路图如图2-2。（5）、键盘模块键盘模块这里采用4*4矩阵键盘模块，电路如图3-5。图3-5 4*4矩阵键盘（6）、声光模块 当帆板的转角为455时，单片机会输出一个高电平给蜂鸣器，同时也输出高电平给发光二极管。让它们作提示。电路如图3-6所示。图3-6 声光模块四、系统程序设计与工作流程系统的软件设计采用C语言，对单片机进行编程实现各项功能。程序是在KeiluVision4软件编写的，主程序主要起到一个导向和决策功能，决定风扇什么时候加大风力。帆板控制系统各种功能的实现主要通过调用具体的子程序。1、检测角度传感器子程序 是否开始初始化MMA7455LCD1602读取XYZ中力加速度并取各轴平均值重力加速度转化为角度液晶显示角度40&50?声光显示结束图4-1 检测角度传感器2、扫描按键子程序开始程序初始化有键按下？否键值？用相应的键调制不同PWM的值图4-2 扫描按键3、调制PWM脉宽中断子程序4、主程序单片机上电复位后，这时对系统进行初始化。开始进入主程序。主程序应该包括显示程序、键盘扫描程序、角度采集和PWM调节程序。开始初始化调用角度测量子程序显示子程序是否在455？是声光模块否结束键盘模块图4-5 主程序五、理论分析与算法1、风扇控制电路2、倾角检测原理： 由于倾角的变化相对比较缓慢，基本属于静态测量，静态测量的一个特殊的例子就是重力加速度，当传感器静止时（也就是侧面和垂直方向没有加速度作用），作用在它上面的只有重力加速度。重力（垂直）和传感器敏感轴之间的夹角就是倾斜角，因为倾角