全国电子设计竞赛帆板论文

1、. . . . 2011年全国大学生电子设计竞赛帆板控制系统（F题）高职高专组2011年9月3日13 / 32摘 要 本帆板控制系统，采用台式计算机散热风扇作为系统的风源，用塑化板做帆板。采用STC89C52作为系统的核心，通过PWM方式来控制直流电机的运转速度，从而控制帆板偏转的角度。传感器采用角度传感器（精密电阻式），该传感器具有机械寿命长、分辨率高、转动顺滑、动态噪声小的优良性能，从而保证本系统的稳定性。用LCD器件RT12864M作为系统的显示器件，界面友好，能够显示系统的工作模式和实时角度，通过按键还可设置电机的转速从而调整帆板的偏转角度。软件采用查表法（自行设计）调整电动机需要的脉

2、冲个数，节省大量CPU资源和程序存储空间，代码简洁，便于设计和调试。关键词： STC89C52 PWM 精密电阻式 查表法 LCD 目 录1系统方案21.1 的论证控制系统的论证与选择21.2 显示模块与选择22系统理论分析与计算42.1 传感器电压采集的分析与计算42.2 PWM调速的分析和计算53电路与程序设计73.1电路的设计73.1.1系统总体框图与电路原理图73.1.2 控制系统子系统电路原理图73.1.3 键盘子系统电路原理图83.1.4风扇驱动子系统电路原理图83.2程序的设计133.2.1程序功能描述与设计思路133.2.2程序流程图134测试方案与测试结果154.1测试方案1

3、54.2 测试条件与仪器154.3 测试结果与分析154.3.1测试结果(数据)154.3.2测试分析与结论155扩展部分16参考文献16附录1：电路原理图1附录2：材料清单2附录3：源程序3帆板控制系统（题）高职高专组1系统方案本系统主要由控制系统模块模块、显示模块、角度传感器模块、风扇驱动模块、报警模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1 控制系统的论证与选择风扇模块是整个系统的关键，它决定整多个系统的稳定性，需要有稳定的风力，良好的风向，放置稳定。方案一：采用自制12V的直流电的风扇，造价低，但不易固定，风向不集中，帆板倾角不稳定，无法准确采集角度数据，增加系统的不可用性。方案二：

4、采用AVC生产的F1225型台式计算机的散热风扇，采用直流供电，风力强劲，风向稳定，且利于固定综合以上两种方案，选择方案二。1.2 显示模块的论证与选择显示模块是人和机器的交流部分，需要有良好的显示效果，易于读数，便于直接读取数据。方案一：采用太阳人生产的SMC1602A字符型液晶，该液晶价格便宜，但不能显示汉字，不利于多种显示，从而限制了整个形同的人性化。方案二：采用市华创信电子的RT12864M图形液晶，该液晶不但可以显示数字，字母，还可以显示图形、汉字。具有外形大方，易于直接读取数据等优点综合以上两种方案，选择方案二。1.3 角度传感器模块的论证与选择角度传感器是将角度转化为非电量的器件

5、，要求旋转灵活，有良好的角度和非电量有良好的线性关系，是直接决定系统精度得关键原件。方案一：采用德国41M/RFC4801-636-211-201非接触式旋转角度传感器，该传感器具有分辨率高，无机械寿命。但需要适配磁块、不宜购买、价格昂贵。方案二：采用思博机械电气的WDD35（如图1-1）精密电阻式角度传感器，该传感器具有机械寿命长、分辨率高、转动顺滑、动态噪声小的优良性能，价格适中。图1-1 WDD35角度传感器综合考虑采用WDD35精密电阻式角度传感器。1. 风扇的论证与选择风扇模块是整个系统的关键，它决定整多个系统的稳定性，需要有稳定的风力，良好的风向，放置稳定。方案一：采用自制12V的

6、直流电的风扇，造价低，但不易固定，风向不集中，帆板倾角不稳定，无法准确采集角度数据，增加系统的不可用性。方案二：采用AVC生产的F1225型台式计算机的散热风扇，采用12V直流供电，风力强劲，风向稳定，且利于固定综合考虑采用台式计算机的散热风扇。2系统理论分析与计算 2.1 传感器电压采集的分析与计算AD0809是8为逐次逼近式AD转换器如图2-1所示，它由逻辑控制电路、移位寄存器、DA转换器与所存缓冲器组成。图2-1 AD部图 在第一个时钟脉冲作用下，控制电路使时序产生器的最高位置1，其他位置0，其输出经数据寄存器将10000，送入D/A转换器。输入电压首先与D/A器输出电压（VREF/2）

7、相比较。 如v1VREF/2，比较器输出为1，若vI< VREF/2，则输出为0。比较结果存于数据寄存器的Dn-1位然后在第二个CP作用下，移位寄存器的次高位置1，其他低位置0。如最高位已存1， 则此时vO=（3/4）VRE于是v1再与（3/4）VREF相比较，如v1（3/4）VREF，则次高位Dn-2存1，否则Dn-2=0；如最高位为0，则vO=VREF/4，与vO比较，如v1VREF/4，则 Dn-2位存1，否则存0。采集传感器输入模拟量vA=3V，D/A转换器基准电压VREF=V。 根据逐次比较D/A转换器的工作原理，可画出在转换过程中CP、启动脉冲、D7D0与D/A转换器输出电压

8、vO的波形，冲低电平到来后转换开始，在第一个CP作用下，数据寄存器将D7D0=10000000送入D/A转换器，其输出电压 v0=5V，vA与v0比较，vA>v0存1；第二个CP到来时，寄存器输出D7D0=11000000，v0为3V，vA再与7.5V比较，因vA<7.5V，所以D6存0；输入第三个CP时，D7D0=10100000，v0=6.25V；vA再与v0比较，如此重复比较下去，经8个时钟周期，转换结束。v0的波形可见，在逐次比较过程中，与输出数字量对应的模拟电压v0逐渐逼近vA值，最后得到A/D转换器转换结果D7D0为10101111。该数字量所对应的模拟电压为3.035

9、9375V，与实际输入的模拟电压3.04V的相对误差仅为0.06%。2.2 PWM调速的分析和计算 脉宽调制(PWM:(Pulse Width Modulation)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上

10、去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。 本系统采用单片机直接产生矩形波如图2-2，将矩形波传送给L298从而驱动电机的旋转，已达到调速来控制风速。 图2-2 单片机产生的矩形波输出的平均电压： U=(2D-1)Ud D为占空比，Ud 为输入电压。占空比： D=Ton/Ts Ton为单片机产生高电平的时间，Ts为一个矩形波的周期。 由上式知通过调节单片机产生高电平的时间Ton，来控制输出平均电压U，调节电机转速，达到控制风力的目的。3电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图与电路原理图1、系统总体

11、框图如图3-1所示，角度传感器的模拟电压量经AD转换成数字量，送单片机处理，由LCD显示，也可通过键盘控制风扇的转速来实时显示帆板相应的倾角。图3-1 系统总体框图2、电路原理图（图3-2），见附录13.1.2 控制系统子系统电路原理图1、 控制系统子电路原理图，如图3-3。 控制芯片采用宏晶的89C52，采用CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术与CHMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。89C52置8位中央

12、处理单元、256字节部数据存储器RAM、8k片程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片时钟振荡电路。图3-3 控制电路子系统电路3.1.3 键盘子系统电路原理图1、 键盘子系统电路原理图 如图3-4所示键盘采用具有四组2输入与门的74ls08，将两个键值相与，再送个单片机进行判断，采用这种连接可以节省IO口资源。图3-4 键盘子系统电路3.1.4风扇驱动子系统电路原理图显示系统如图3-5所示，采用SGS 公司的15脚Multiwatt封装的l298N(图3-6),部同样包含4通道逻辑驱动电路。L298N可接受标准T

13、TL逻辑电平信号VSS，VSS可接47 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压围VIH为2546 V。输出电流可达25 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，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。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。图3-5 风扇驱动原理图图3-6 l298N3.1.5显示子系统电路原理图显示子程序如图3-7所示，采用芯片74HC254（图11）和液晶RT12864M（图12）。采

14、用74HC245复用功能实现节约IO的作用。图3-7 显示子系统74HC154：74HC245（图3-8）是一款高速CMOS器件，74HC245引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。具有复合使能输入，轻松实现扩展。74HC245译码器可接受3位二进制加权地址输入（A0, A1和A2），并当使能时，提供8个互斥的低有效输出（Y0至Y7）。74HC245特有3个使能输入端：两个低有效（E1和E2）和一个高有效（E3）。图3-8 74HC254液晶RT12864M： RT12864M（3-9）汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字与图形，置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8

15、X16点阵）与64X256点阵显示RAM（GDRAM）。图3-9 RT128643.1.6报警子系统电路原理图如图3-10所示，声光报警电路采用蜂鸣器和LED灯串联，通过单片机控制，达到报警功能。图3-10 报警子系统3.1.7传感器子系统电路原理图传感器数据采集原理图如图3-11所示，采用AD0809，将模拟信号转换成数字信号，送给单片机判断。 图3-11 传感器数据采集原理 AD0809：ADC0809 是 8 位逐次逼近型 A/D 转换器。它由一个 8 路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个 A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成（见图 1）。多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模

16、拟量分时输入，共用 A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完的数字量，当 OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。3.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。1）键盘实现功能：通过按键调节控制风扇风力，调节帆板角度，还可以选择模式。2）显示部分：显示模式选择和实时角度。2、程序设计思路根据设计要求，用模块化编程，分为显示模块、按键模块、AD模块、电机驱动模块报警模块。通过函数调用各子程序模块，从而实现设计的基本要求。3.2.2程序流程图1、主程序流程图，如图3-12图3-12 主程序流程图

17、2、模式1、2、3子程序流程图，如图3-13图3-13 模式子程序图4测试方案与测试结果4.1测试方案1、硬件测试硬件采用模块设计，分为显示模块、按键模块、电机驱动模块、AD模块。测试分为模块的独立测试和模块组合测试。2、软件仿真测试软件用keil调试联合proteus仿真，完成对软件的调试3、硬件软件联调将调好的程序下载在单片机中，用量角器不断调整角度，调试程序，完成软件和硬件的联合调试。4.2 测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全一样，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：秒表，量角器，指针式万用表。4.3 测试结果与分析4.3.1测试结果(数据)

18、测试结果好下表所示： （单位/度）测量值5152235425055显示值71322334548534.3.2测试分析与结论根据上述测试数据，角度的测量值和显示值在正负5度以，由此可以得出以下结论：1、手动显示0-60度，分辨率为2度，误差小于5度2、在10cm用处，可用按键控制帆板的角度，并实时显示。3、在10cm用处，有按键调节风力，在10秒可稳定在45度左右，平进行声光报警。综上所述，本设计达到设计要求。5扩展部分扩展部分采用红外遥控，通过键盘设置设定帆板的角度，再调节风力的大小，从而达到扩展设计的要求。通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成（图5-1），应用编/解码专用集成电路芯片来进

19、行控制操作，如图1所示。发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。 图5-1 红外系统遥控发射器与其编码采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”上述“0”和“1”组成的42位二进制码经38kHz的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射.接收器与解码LT0038（图5-2）是塑封一体化红外线接收器，它是一种集红外线接收、放大、整

20、形于一体的集成电路，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，没有红外遥控信号时为高电平，收到红外信号时为低电平，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。图5-2参考文献1国巍. 模拟电子技术基础. ：国防科技大学，2008.6 2征宇. 大学生电子设计竞赛指南. ：科学，2009.53华东. 单片机应用技术 第二版.：电子工业，2009.74谭浩强. C语言程序设计. ：高等教育，2006.1 附录1：电路原理图图3-2 整体电路原理图元 件 清 单角度传感器电路元件清单器件名规格（型号）数量备注角度传感器WDD35D41

21、精密电阻式数模转换芯片ADC08091可调电阻1K1风扇驱动电路元件清单台式计算机散热风扇F1225B1电机驱动芯片L2981 二极管 1N41484 单片机控制电路元件清单单片机STC89C521电容100µF10.1µF122pF2电阻1K1晶振16MHz1复位按键非自锁式1排阻1K1显示电路元件清单液晶RT12864M1 可调电阻1K1复用芯片74HC2451按键电路元件清单与门芯片 74HC081按键非锁定 4报警电路原件清单蜂鸣器直流型1三极管80501电阻1K2附录2：材料清单附录3：源程序主函数：#include "reg52.h"

22、;#include "LCD12864.h"#include "ADC0809.h"#include"Key.h"#include "DIANJI.H"sbit OE_F = P27; /245控制端extern uchar kz;extern unsigned char xz; /选模式键值uchar dj; /AD转换后的度数extern bit OK; /1:进入2:确定3:返回extern unsigned char KK; /高 占空比extern unsigned char TT;extern unsi

23、gned char keyvol ;void hwcl(void);uchar hw3;uchar ww;uchar ii;uchar jianz=3,5,9,13,17,21,26,31,35,39,43,45,47,51,55,60; /*-主函数-*/ main() OE_AD=0;/AD不输出 OE_F=0;/使能缓冲 LED=0; DJ_ENA=0; /PWM信号 TT0_intial();/初始化/定时器T0 int0_intial();/初始化中断INT0 init_lcd(); write_command(0x01); LCD12864_picture(FirstPage);/

24、开机界面 delay(8000); write_command(0x01); / 清平 Show();/固定显示 while(1) OE_F=1; /不使能缓冲radc0809(); /读AD转换结果OE_F=0; /使能缓冲ii=kz;switch (ii) case 1 : if(xz=0x01) /模式1 dis_hz(1,4,"模式:1 "); Disp(4,1,16," "); if(OK=1) /确认键为1 while(OK) /OK为1循环 OE_F=1; /不使能缓冲LCD 245不导通 radc0809(); /读AD转换结果 OE_F

25、=0; /使能缓冲 delay(8); display(dis);/ 读取显示 else Disp(3,6,3," "); /如果OK=0,则退出if(xz=0x02) /模式2dis_hz(1,4,"模式:2 "); /模式显示 Disp(4,1,16," "); if(OK=1)/如果OK=1,确认 KK=12;/启动初值 while(OK) /循环读取显示 OE_F=1; /不使能缓冲LCD245不导通 radc0809(); /读AD转换结果 OE_F=0; /使能缓冲LCD,可以传输数据 delay(8); display(

26、dis); / 读取显示 delay(4); elseDisp(3,6,3," ");/OK=0;取消,显示无 if(xz=0x03)/模式3 dis_hz(1,4,"模式:3 "); /模式显示 Disp(4,1,16," "); if(OK=1) /OK=1,确认 KK=40;/启动初值 while(OK)/循环读取显示 OE_F=1; /不使能缓冲 radc0809(); /读AD转换结果 OE_F=0; /使能缓冲 delay(8); display(dis); if(dj>40&dj<50) /声光提示

27、LED=1; delay_Ms(6); LED=0; else LED=0; else Disp(3,6,3," "); 显示函数：#include <LCD12864.h> sbit RS = P17; / 数据或指令寄存器选择端 / sbit RW = P16; / 读写控制端 /sbit E = P15; / 使能端 / sbit PSB =P36; / 复位端 / sbit RST= P37; extern uchar ii;uchar code SZ=0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39,0

28、x2e;/0-9,0x2e表示小数点uchar Buff4;uchar code san=/小三角符号0x00,0x00,0x30,0x00,0x3C,0x00,0x3F,0x00,0x3F,0xC0,0x3F,0xF0,0x3F,0xFC,0x3F,0xFF,0x3F,0xFF,0x3F,0xFC,0x3F,0xF0,0x3F,0xC0,0x3F,0x00,0x3C,0x00,0x30,0x00,0x00,0x00;uchar code FirstPage=数组;/*-延时子程序-*/void delay(uint t) uint i,j; for(i=0;i<t;i+) for(j=

29、0;j<50;j+) ; /*-写命令到LCD-*/void write_command(uchar cmdcode) RS = 0; RW = 0; P0 =cmdcode; delay(2); E = 1; /下降沿写入LCD delay(2); E = 0; /*-写数据到LCD-*/void write_data(uchar Dispdata) RS = 1; RW = 0; P0 = Dispdata; delay(2); E = 1;/下降沿写入LCD delay(2); E = 0; 设置显示位置X(18),Y(14)void LCD12864_address(uchar

30、row,uchar line) switch(row) case 1: write_command(0x7f + line); break; case 2: write_command(0x8f + line); break; case 3: write_command(0x87 + line); break; case 4: write_command(0x97 + line); default: break; /字库汉字显示 void dis_hz(uchar rom,uchar line,uchar *ch) uchar temp; LCD12864_address(rom,line);

31、 temp=*ch; while(temp!=0) write_data(temp); temp=*(+ch); / 单字符显示 void Disp1( uchar row ,uchar line,uchar dat) LCD12864_address(row,line); write_data(dat); /字符显示 void Disp(uchar row,uchar line,uchar num,uchar *img) uchar j; LCD12864_address(row,line); for(j=0;j<num;j+) write_data(imgj); / 绘制一幅图片-

32、/*/void LCD12864_picture(uchar *gImage) uchar X=0x80,Y=0x80; uchar i,j,k; write_command(0x34); for(i=0;i<2;i+) for(j=0;j<32;j+) write_command(Y+j); write_command(X); for(k=0;k<16;k+) write_data(*gImage+); X=0x88; write_command(0x36); write_command(0x30); /*-初始化LCD屏-*/void init_lcd() RST=0;

33、delay(1); RST=1; PSB=1; write_command(0x30);/功能设定 write_command(0x0c);/显示开关 write_command(0x02);/地址归位 write_command(0x06); write_command(0x01);/清屏 delay(10); /固定显示void Show(void) dis_hz(3,1,"帆板转角: 度"); delay(50);void display(uchar *p) uchar i; EX0=0; /关中断TR0=0; /关中断 Disp1(1,1,0x20); for(i=0;i<3;i+) Buffi=SZ*(p+i); Disp(3,6,3,Buff); EX0=1; case 2: Disp1(1,1,0x20); for(i=0;i<3;i+) Buffi=SZ*(p+i); Disp(1,7,3,Buff); break; case 3: Disp1(1,1,0x20) for(i=0;i<4;i+) Buffi=SZ*(p+i); Disp(1,5,4,Buff); break;case 4: Disp1(1,1,0x20) for(i=0;i<4;i+) Buffi=SZ*(p+i);