全国大赛帆板控制系统最新

1、目录 引言1 二、系统方案1 （一）方案论证与比较1 1、主控电路1 2、角度传感器的选用2 3、按键选用2 4、显示2 5、电机的驱动2 6、风扇3 7、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）硬件设汁4 1、总体电路图（见附录1）4 2、主控电路4 3、风扇控制5 4、显示模块5 5、声光提示模块6 6、传感器模块6 （二）软件设汁6 1、风扇控制算法设计6 2、声光提示算法设计7 3、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8 1、功能要求测试8 2、按键控制风力等级测

2、试8 （三）测试结果分析9 六、设计总结9 9 附录1硬件原理图10 附录2程序代码11 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，故釆用方案二。 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、灵敬度高等优点，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

3、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】釆用独立键盘。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LCD 1602液晶显示。16

4、02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LCD 12864液晶显示。LCD 12864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o）LCD12864和LCD 1602 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w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

5、负载不可过大。 【方案二】釆用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，山七个硅NPN达林顿管w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。 本系统设计釆用方案二。 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

6、稳压电源。釆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，山单片机的内置逻辑和运算功能，加上外圉电路得以实 现。根据设计任务要求，该电路的总体框图可分为儿个基本的模块，总体框图如 下图21所示： 图21总体框

7、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0 =（ 180*atan（temp z/temp x）/3.14o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

8、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 系统釆用STC89C52单片机构成主控制电路，电路如图41所示: STC89C52 Vo; PO.O P0.1 P0 2 P0.3 P0 4 P0.5 P0.6 P0.7 P3.0/RXD P3.1TXD P3.2nNT0 P3.3/IN1T P3.4TT0 P3jrri P3.6/WR P3.?P XTAL2 XTAL1 GMD EA P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2 0 SI QWO 39 38 P.OW1

9、? RCW2 36 RQW3 35 com 34 l；iH 33 CQL2 32 COL3 31 P12 2 Pl?力 9 18 STC39C52 30F 12MHz Cl 11 2 主控模块 6 7 8 Dd.2.34.5.6.7 1A 1A 1A 1A 11 14 lx A p p p p p p PF BZE P苑匹 17 ALE psST 30 29 28 I 27 EN B 26 I1JB2 2T INE1 24 F2? 23 P22 22 P21 21 P20 19 37 图41主控电路 3、风扇控制 风扇电机选用L298N模块驱动, 度，达到控制风扇风力大小的口标。 并山4*4按

10、键矩阵控制PWM,改变电机速 L298N驱动模块如下图42所示： +157 U2 1 取A 6 【N2 ? aiE.ll NBliO (NB32 1N1 vs 1N2 1M7 vs in J n-izi OUT1 OUT2 OUTS OUT4 Hl4# nwn ISEWB IS ENA -JK LJ 9+59 4H5V H414S 1M4148 1N414S 1M414S 接口 J3 5 CM g 二 9 f c-o pZ43 phU14Z 问 N2114S 电机驱动模块 !100nF Ut 72L15 J7 V1N VOUT J8 V电压转検模块 图4-2风扇控制 4.显示模块 祸P 7IH

11、 VOUT O T22if VCC 匹 O 2 3 14 15 U95N 3 6 5 3CN2 wv电压转换模块 COM2 使用LCD12864显示，如下图43所示: JO go 64 Z133NO G3TOOA ON 矗 ON HSd sa 2a 冒 SQ 冒 ( 20 lT I 显示模块 图4-3显示模块 5、声光提示模块 6传感器模块 图4-5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4-6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4-7所示: 图4-7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

12、、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。 0-66 2 分辨力为2 ,绝对误差W5 o 分辨1误差3 3 使帆板转角0稳泄在45 5范围内，制过程在10秒 内完成，实时显示0,并由声光提示 5秒 4 0在5秒内达到设定值 5秒 2、按键控制风力等级测试 风力等级 角度W 角度w 角度w 0 oc 0 0 5 r 1 1 10 9C 10 11 15 23。 22 23 20 25 29 31 25 37 37 39 30 40 39 40

13、35 47 46 43 40 49 49 51 45 51 52 53。 50 55 56 52 55 55。 57 54 60 58。 59 57 65 57 60 58 70 60 62 59 75 61。 63 60 80 64 63 64 85 65。 64 65 90 65 65 65 95 65。 65 65 99 66 66 66 （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。通过本次设汁，

14、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. Li PSB MC KH NC VCC LED GNETLED 0ND VCC NC RS(CS) RW(S fD) EN(SCLK) DR) DB1 DB2 DB3 DB4 DB

15、5 DB6 DB7 +1 01且 辽 帀 匸百！ 6肓 巴 ALT 1-5 TV 7|2 J 5 7 2旨 富 PE PEpg 23 pg p ps PU p 26 P0.4 P 匚 SICSQ2! PM KDVPD P5 P3WXISI P31o_ P3直2 P旨口 s.盲 3译 P谜圃 P3歯 X1AL2 MALI ALE PSK o b p p p 田 p Eri i p H p p g s 2 r* Q vU s To.hr ?-a To.hr Hl毎削勒酸沓丽 ADXL 谡 0 -Ik AN3W I 1 T .0 33V豊臺 附录2程序代码 主函数 严* */ #include #i

16、nclude Hcontrol.hM #include ”12864.h” #include ADXL.H #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit key=P2A7; void timer_init() TMOD=0X10; TH 1=(65535-100)/256; TLl=(65535-100)%256; EA=1; ET1 = 1; TR1 = 1; void main() char devid; timer_init(); lcd_12864_init(); Init_ADXL345();初始化 ADXL34

17、5 devid=Single_Read_ADXL345(0X00);读出的数据为 0XE5,表示正 确 while(l) adxl345(); if(key=O) keyscan_l(); 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_l(); #endif */ Control.C 文

18、件 #include #include Hcontrol.hn include 12864.hH #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define keydata PO sbit A1=P2A4; sbit A2=P2A5; sbit ENA=P2A6; 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

19、 ij; for(i=0;ixms;i+) for(j=0;j=100) count=0; if(countpwm) ENA=1; else ENA=0; /*/ 12864.H 文件 # ifndef_12864_h_ #define _12864_h_ /extern void lcd_writestring(unsigned char *str); 向 led 发送一个字符串, 长度64字符之内。 extern void write_ 12864_cmd(unsigned char emd );向液晶写数 据 extern void write_ 12864_data(unsigned

20、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 Ainsigned 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 /水 */ 12864.C 文件 /水*水水*水*水水*水*水水*水*水水*水*水

21、水*水*水水*水水*水*水* 12864指令：0 x01 将DDRAM填满“20H”，并且设定DDRAM的地 址计数器(AC)到“00H” 0 x02 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 0 x04 读写后,AC减一,向左写 0 x06 读写后,AC加一,向右写 0 x10 光标向左移动,AC减一 0 x14 光标向右移动,AC加一 0 x18 显示向左移动,光标跟着移动 Oxlc显示向右移动,光标跟着移动 OxOc整体显示开，游标关，游标位置反白不允许 OxOe整体显示开，游标开，游标位置反白不允许 OxOf整体显

22、示开，游标开，游标位置反白允许 0 x08 关显示,关光标，关光标闪烁 0 x30/8位数据端口 ,基本指令操作 0 x34/8位数据总线，扩展指令集 0 x20/4位数据总线，基本指令集 0 x24/4位数据总线，扩展指令集 */ #include include ”12864.h #include control.hn #define lcd.data Pl 定义液晶数据端口 sbit lcd_PSB=P3人7;液晶串行数据和并行数据选择端 sbit lcd_EN=P3A4;液晶 en 使能端 sbit lcd_RS=P3A5;液晶的 rs sbit lcd_RW=P3A6; 液晶的 rw

23、 读写端口 void delayms_l 2864(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=O; lcd_RS=O; lcd_RW=l; lcd_EN=l; delayms_l 2864(3); 取出数据端口的最高位 result=(bit)(lcd_data lcd_EN=O; return result; void write2864_cmd(unsigned char cmd ) 写指令 wh

24、ile(check_ 12864_busy(); 检测液晶忙不忙 lcd_RS=0;/rs=0 为写命令 lcd_EN=0; lcd_RW=O; lcd_data=cmd;把指令给数据端口 delayms_l 2864(1); lcd_EN=l; delayms_ 12864( 1); lcd_EN=0; ) void write_l2864_data(unsigned char dat) /向液晶写数据 while(check_l 2864_busy(); 检测液晶忙不忙 lcd_RS=l;/rs=l 为写数据 lcd_EN=0; lcd_RW=O; lcd_data=dat;把数据给数据端

25、口 delayms_ 12864(1); lcd_EN=l; delayms_ 12864( 1); lcd_EN=0; void led, 12864JnitO初始化液晶 lcd_PSB=l; write2864_cmd(0 x30); delayms_l 2864(5); write2864_cmd(0 x0c); delayms_ 12864(5); write_l 2864-cmd(0 x01); delayms_l 2864(5); void write_ 12864_addr(unsigned char x unsigned char y) /写液晶的地址 unsigned cha

26、r addr; if(x=O) 如果x=0,地址为液晶第一行 x=0 x80; else if(x=l) 如果x=l,地址为液晶第二行 x=0 x90; else if(x=2) 如果x=2,地址为液晶第三行 x=0 x88; else if(x=3) 如果x=3,地址为液晶第四行 x=0 x9 8; addr=x+y; write_l 2864_cnid(addr); /* * ADXL.H文件 #ifndef_ADXL_h_ #define ADXL_h 角度转换 /x轴 /y轴 延时函数 /extern void jiaodu(); /extern void display_x(); /

27、extern void display_y(); /extern void display_z()y/z 轴 extern void Init_ADXL345(); 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 i

28、nclude H12864.hM #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define DataPort Pl/LCD 1602 数据端口 sbit SCL=P2A0; IIC时钟引脚定义 sbit SDA=P2A1; IIC数据引脚定义 sbit LED二P2人2; #define Slave Address0 xA6 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 0 xA6,接电源时地址为0 x3A typedef unsigned char BY

29、TE; typedef unsigned short WORD; 接收数据缓存区 显示变量 初始化led 1602 初始化ADXL345 BYTE BUF8J; uchar ge,shi.bai,qian,wan; int dis.data; 变量 void delay(unsigned int k); void InitLcd(); void Init_ADXL345(void); void WriteDataLCM(uchar dataW); void WriteCommandLCM(uchar CMD.uchar Attribc); /void DisplayOneChar(uchar

30、X.uchar Y.uchar DData); void conversion(uint tenip_data); void Single_Write_ADXL345(uchar REG_Address,uchar REG_data);单 个写入数据 / / uchar Single_Read_ADXL345(iichar REG_Address); 单个读取内部寄希器如据 void Multiple_Read_ADXL345(); 连续的读取内部寄若器数据 / void Delay5us(); void Delay5ms(); void ADXL345_Start(); void ADXL3

31、45_Stop(); void ADXL345_SendACK(bit ack); bit ADXL345_RecvACK(); void ADXL345_SendByte(BYTE dat); BYTE ADXL345_RecvByte(); void ADXL345_ReadPage(); void ADXL345_WritePage(); float tempz; float tempy; float tempx; uchar tab=度； uchartabl=偏转”； uchar tab2=n 风力； uchar tab3=输入”； / 水* void conversion(uint

32、tenip_data) wan=temp_data/l 0000+0 x30 ; temp_data=temp_data% 10000;取余运算 qian=temp_data/1000+0 x30 ; temp_data=temp_data% 1000;取余运算 bai=temp_data/100+0 x30; temp_data=temp_data% 100;取余运算 shi=temp_data/10+0 x30; temp_data=temp_data% 10;取余运算 ge=temp_data+0 x30; 严*/ /void DisplayOneChar(uchar DData) Y

33、X /if(Y)XI=0 x40; /XI=0 x80; /write_12864_addr(X,0); write_l 2864_data(DData); */ * 延时 5 微秒(STC90C52RC12M) 不同的工作环境，需要调整此函数，注意时钟过快时需要修改 当改用1T的MCU时，请调整此延时函数 窃*/ void Delay5us() 37 _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_()；_nop_();_nop_();_nop_(); * 延时 5 毫秒(STC90C52RC12M

34、) 不同的工作环境，需要调整此函数 当改用1T的MCU时，请调整此延时函数 */ void Delay5ms() WORD n = 560; while (n); ) /* * 起始信号 */ 拉高数据线 拉高时钟线 延时 产生下降沿 延时 拉低时钟线 void ADXL345_Start() SDA= 1; SCL= 1; Delay5us(); SDA = 0; Delay5us(); SCL=0; 1 /* * 停止信号 */ 拉低数据线 拉高时钟线 延时 产生上升沿 延时 void ADXL345_Stop() SDA = 0; SCL= 1; Delay5us(); SDA= 1;

35、Delay5us(); 严* 发送应答信号 入 口参数mck (O:ACK 1:NAK) */ void ADXL345_SendACK(bit ack) SDA = ack; SCL= 1; Delay5us(); SCL=0; Delay5us(); 写应答信号 拉高时钟线 延时 拉低时钟线 延时 严* 接收应答信号 窃*/ 拉高时钟线 延时 读应答信号 拉低时钟线 延时 bit ADXL345_RecvACK() SCL= 1; Delay5us(); CY = SDA; SCL=0; Delay5us(); return CY; ) 严* 向IIC总线发送一个字节数据 窃*/ void

36、 ADXL345_SendByte(BYTE dat) BYTE i; for (i=0; i8; i+) dat = 1; SDA = CY; SCL= 1; Delay5us(); SCL=0; Delay5us(); ADXL345_RecvACK(); /8位计数器 移出数据的最高位 送数据口 拉高时钟线 延时 拉低时钟线 延时 严* 从IIC总线接收一个字节数据 *窃水水/ BYTE ADXL345_RecvByte() BYTE i; SDA= 1; 使能内部上拉，准备读取数据, /8位计数器 拉高时钟线 延时 读数据 拉低时钟线 延时 BYTE dat = 0; for (i=0

37、; iv SCL= 1; Delay5us(); dat 1= SDA; SCL=0; Delay5us(); return dat; 水*水*水*单字节 写入 ) * void Single_Write_ADXL345(uchar REG_Address,uchar REG_data) ADXL345_Start();起始信号 ADXL345_SendByte(SlaveAddress);发送设备地址+写信号 ADXL345_SendByte(REG_Address);内部寄存器地址，请参考中 文pdf22页 ADXL345_SendByte(REG_data);内部寄存器数据，请参考中 文

38、pdf22页 ADXL345_Stop();发送停止信号 水*水*水*水*单字节读取 * uchar Single_Read_ADXL345(uchar REG_Address) uchar REG_data; 起始信号 发送设备地址+写信 发送存储单元地 ADXL345_Start(); ADXL345_SendByte(SlaveAddress); 号 ADXL345_SendByte(REG_Address); 址，从0开始 ADXL345_Start(); ADXL345_SendByte(SIaveAddress+1); 号 REG_data=ADXL345_RecvByte();

39、ADXL345_Send ACK( 1); ADXL345_Stop(); return REG_data; 起始信号 发送设备地址+读信 读出寄存器数据 停止信号 * * / 连续读出ADXL345内部加速度数据，地址范圉0 x32-0 x37 / 水 * void Multiple_read_ADXL345(void) uchar i; ADXL345_Start(); ADXL345_SendByte(SlaveAddress); 号 ADXL345_SendByte(0 x32); 址，从0 x32开始 ADXL345_Start(); ADXL345_SendByte(SIaveAd

40、dress+1); 号 for (i=0; i6; i+) 存储中BUF BUFi = ADXL345_RecvByte(); 址中的数据 if(i = 5) ADXL345_Send ACK( 1); 要回NOACK else ADXL345_SendACK(0); ) ADXL345_Stop(); Delay5ms(); 起始信号 /发送设备地址+写信 发送存储单元地 起始信号 发送设备地址+读信 连续读取6个地址数据， /BUF0存储 0 x32 地 最后一个数据需 回应ACK 停止信号 ) * 初始化ADXL345,根据需要请参考pdf进行修改 * void Init_ADXL345

41、() Single_Write_ADXL345(0 x31 ,OxOB); Single_Write_ADXL345(0 x2C,0 x08); Single_Write_ADXL345(0 x2D,0 x08); Single_Write_ADXL345(0 x2E,0 x80); Single_Write_ADXL345(0 x 1 E,OxOO); 状态写入pdf29页 Single_Write_ADXL345(0 x 1 ROxOO); 状态写入pdf29页 Single_Write_ADXL345(0 x20,0 x05); 状态写入pdf29页 测量范围，正负16g, 13位模式

42、速率设定为12.5参考pdf 13页 /选择电源模式 参考pdf24页 使能DATA.READY中断 /X偏移量讯据测试传感器的 /Y偏移量根据测试传感器的 /Z偏移量根据测试传感器的 * * 显示x轴 void display_x() /float tempx; dis_data=(BUFl 8)+BUF0; 合成数据 if(dis_datavO) dis_data=-dis_data; write2864_addr(2,1); write2864_data(-); 显示正负符号位 else write.12864_addr(2,l); write. 12864_dataC ); 显示空格 tempx=(float)dis_data*3.9; 计算数据和显示，查考ADXL345快速入 门第4页 conversion(tempx);转换出显示需要的数据 write2864_addr(2,