帆板控制系统完整版.doc

帆板控制系统（F题）摘要以STC89C52RC为控制核心设计帆板控制系统。系统主要包括主控模块、角度监测模块、风扇驱动模块、A/D转换模块、按键模块、LCD液晶显示模块、声光报警模块和电源模块。首先角度传感器将监测到的信号送入A/D采集，然后单片机处理采集到的信号得到角度值，实时显示到液晶屏上。同时根据实时监测到的角度值，调节加减按键控制PWM脉冲的占空比，使风帆转动到设定的角度，最终实现题目的要求。经测试系统功能齐全，执行速度快，各项性能指标均达到了设计要求。关键词：STC89C52 A/D转换器 角度传感器 风扇转速控制1 方案论证与选择1.1系统基本组成 题目要求设计制作一个帆板控制系统，通过对风扇转速的控制，调节风力大小，改变翻帆板转角。根据这些要求，确定了本作品主要由主控模块、角度监测模块、风扇驱动电路模块、A/D转换模块、按键模块、LCD液晶显示模块、声光提示模块和电源模块构成。系统框图如图1所示。 图1 帆板控制系统框图 1.2 各模块方案论证与选择1.2.1主控制器模块选择与论证方案一：采用DSP作为控制器。DSP具有强大的控制和信号处理能力，片内具有快速RAM和flash。本题主要利用处理器控制风扇的转速，数据处理方面要求不高。方案二：采用STC89C52RC单片机。该单片机技术成熟，调试方便，价格便宜，在本题数据量不大的情况下完全可以完成风扇转速的控制。 综上比较，采用方案二。1.2.2 角度监测方案比较方案一：采用倾角传感器监测。倾角传感器通常可以同时监测X轴、Y轴两个方向的倾斜角度，能够精确测量、跟踪倾斜角的大小和变化。但是测量角度时需要将倾角传感器安装在帆板上，增加了整个帆板装置的重量，同时倾角传感器的精度较高，测量时会将噪声信号带入控制系统，影响角度测量的精度。方案二：采用角度传感器监测。角度传感器SYD35D4线性度为1%，旋转扭矩为，分辨率高，最为关键的是它采用滚珠轴承的机械结构方便与帆板轴相结合测量角度。综合比较，本系统采用方案二。1.2.3 风扇转速控制方案比较方案一：改变电枢回路电阻调速。这种调速方法为有级调速，转速变化率大，轻载下很难得到低速，效率低，故这种调速方法很少使用。方案二：改变励磁电流调速。在这种调速方法中，随着电动机磁通的减小，转矩相应地降低。通常只有在电动机基速以上调速时才采用这种调速方法。方案三：采用PWM调速。PWM技术实现数字方式控制模拟信号。它的开关频率较高，快速响应特性好，动态抗干扰能力强，产生的数字脉冲信号稳定可靠。通过选用定频调宽法容易用单片机实现对风扇风速稳定、均匀的控制。综上比较，采用方案三。2 系统理论分析与硬件实现2.1 角度测量原理角度传感器的内部可看做是一个电位器。当它工作时，转轴旋转的角度和电位器的电阻值满足函数关系式，然后将电阻和角度的关系转换成电压和电阻的关系，再通过A/D转换器得到电压数字量，即得到电压数字量与角度的关系式，最后列出与的表格求出角度。2.2 风扇控制电路2.2.1 角度监测电路的设计角度传感器的内部可看做是一个电位器。测量角度传感器的电压值，再通过A/D转换器得到数字量，最终由与列出的表格求出转角，如图2所示。 图2 角度监测电路图3 A/D转换电路2.2.2 A/D转换电路的设计使用A/D转换器MAX1113构成A/D转换电路。MAX1113使用+5V电源供电，选通通道0输入模拟信号，CS、SCLK、DIN、DOUT、SSTRB分别和单片机的P2.1、P2.0、P2.2、P2.5、P2.3口连接，如图3所示。2.2.3 风扇驱动电路的设计与计算根据题目要求需要用驱动电路驱动风扇，同时风扇需均匀变速使帆板转角在060范围内稳定、均匀变化。如果保持PV802512E型风扇20V的电源电压，帆板的转角会停止在某一大角度值而无法实现角度控制。同时ULN2803在输入5V工作电压下可最大驱动电压50V、电流650mA的负载，因此可选用ULN2803构成风扇驱动电路。如图4所示，P1.1口输入频率给定的PWM波，输出与公共端接负载（风扇），通过改变PWM波的占空比实现风扇的均匀变速。2.2.4 键盘控制采用独立式按键S2、S3、S4、S5作为单片机的信息输入部件。其中S2为状态转换键，S3为加一键，S4为减一键，S5为设定键，其电路如图5所示。图5 按键电路图4 风扇驱动电路 2.3 LCD显示该显示电路采用12864作为显示器，以串行方式与单片机通信。串行数据输入端SID与P1.4口连接，用于给显示器传送指令和数据；读写允许端CS与P1.3口连接，控制液晶读写数据；串行时钟信号SCLK由P1.2口送入，为传送数据提供时钟信号，如图6所示。图7 声光提示电路图6 显示电路2.4 声光提示电路当实时监测到风帆的转角为45，单片机P2.3口输出低电平信号，由PNP型三极管驱动扬声器，发出提示声音，同时P3.0口输出低电平信号，使发光二极管D13发光报警。其电路如图7所示。2.5 控制算法2.5.1 定频调宽法 题目要求间距为10cm时，通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角在060范围变化。因此采用PWM调速法中的定频调宽法实现单片机对风扇风速稳定、均匀的控制。定频调宽法中高、低电平时间之和T1+T2=T保持一定，使T1在0T范围内变化。通过按键调节高电平时间变长，低电平时间相应变短，产生的PWM脉冲占空比线性增大，使得风扇从停止状态，然后均匀加速到某个速度，从而实现帆板转角从0到60匀速均匀变化；反之按动减1键也可以实现帆板转角从60到0匀速变化。2.5.2 积分分离算法题目要求间距为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。根据题目要求本设计中控制使用积分分离算法。积分分离算法在控制开始时不进行积分，直至偏差达到一定阈值后才进行积分累计。这样，可以防止开始有过大的控制量，同时在进入饱和后，因积分累计小，也能较快退出，如图8所示。因此，假设要求帆板稳定在，现确定一个范围（），调整按键增大PWM波的占空比，逐渐增大风帆的转角，不断将与进行比较，如果，表明风帆转角已经达到题目要求的精度范围，保持风扇转速即可，反之亦然。图8 积分分离法克服积分饱和（a-不采用积分分离法，b-采用积分分离法）2.5.3 遇限削弱积分算法图9 遇限削弱积分法克服积分饱和遇限削弱积分法的基本思想是：一旦控制变量进入饱和区，将只执行削弱积分项的运算而停止进行增大积分项的运算。因此，在控制算法设计中计算角度时，将判断上一时刻的控制量是否已经超出限制范围，如果已超出，那么将根据偏差的符号，判断系统输出是否在超调区，由此决定是否将相应偏差计入积分项，如图9所示。3 系统软件设计本系统软件采用模块式设计，思路清楚，易于维护，执行效率高。其主程序流程图如图10所示。其中，A/D转换子程序流程图如图11所示（附录），角度测量子程序流程如图12所示（附录），定时器中断子程序如图13所示（附录），读取键值子程序如图14所示（附录）。图10 主程序流程图4 系统测试 4.1 测试仪器量角器 1个秒表 1个直尺 1把直流稳压电源 1台4.2 指标测试及结果4.2.1 手动转动帆板，帆板角度测试 测试方法：人为改变帆板转角，监测帆板的角度，测试结果如图1所示。表1 手动转动帆板，帆板角度测试人为设定转角/10152025303540455060监测转角/11162126323641485160绝对误差/11112113104.2.2 按键控制风力、监测帆板转角测试方法：当间距d=10cm时，通过加减按键控制风力大小，测量帆板的转角，测试结果如图2所示。表2 按键控制风力、监测帆板转角监测角度/101524364248505256604.2.3 按键控制风力、监测稳定的帆板转角测试方法：当间距d=10cm时，通过加减按键改变风力大小，使帆板稳定在45，测量控制过程的时间和是否进行声光提示，测试结果如图3所示。表3 按键控制风力、监测稳定的帆板转角监测角度/4545454545454545时间/s6.65.06.16.46.78.98.07.2是否声光提示是是是是是是是是4.2.4 键盘设定转角，监测帆板转角（5s内）（发挥部分） 测试方法：当间距d=10cm时，通过键盘设定帆板转角，在规定的5s时间内观测实时监测的转角值，测试结果如图4所示。表4 键盘设定转角，监测帆板转角（5s 内）（发挥部分）时间/s5555555555设定角度/13182027324045525860监测角度/121724263641445057594.2.5 间距变化，键盘设定转角，监测帆板转角（5s内）（发挥部分）测试方法：风扇和帆板的间距在715cm变化，通过键盘设定帆板转角，在规定的5s时间内观测实时监测的转角值，测试结果如图5、6所示。表5 间距变化，键盘设定转角，监测帆板转角（d=7cm）时间/s55555设定角度/1525354555监测角度/1223344352表6 间距变化，键盘设定转角，监测帆板转角（d=15）时间/s55555设定角度/1525354555监测角度/11223341504.3 测试结果分析经过反复调试与测试，本系统完成了题目要求的基本功能和发挥功能，测试结果的精度都在题目要求范围内。5 总结系统以STC89C52RC为控制核心，主要包括主控模块、角度监测模块、风扇驱动模块、A/D转换模块、按键模块、LCD液晶显示模块、声光报警模块和电源模块。经测试系统可以完成人为改变转角，监测帆板的角度；按键控制风力、监测帆板转角；按键控制风力、监测稳定的帆板转角（10s内）；键盘设定转角，监测帆板转角（5s内）；间距变化，键盘设定转角，监测帆板转角（5s内）这5项的基本功能和发挥功能。6 参考文献1 童诗白，华