帆板控制系统(F题)-xin

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】1摘 要本设计为一种帆板控制系统，以AT89C52单片机作为控制平台，通过改变风扇的转速来改变帆板的偏转角度，并实时显示偏转角度。在模式一下，当用手改变帆板的偏转角度时，LCD能实时显示偏转角度；在模式二下，通过按键调节风扇的转速，可实现帆板偏转0° 60°的自由调节；模式三下，通过按键设置指定角度，控制风扇转速，使帆板的偏转角度达到设定值。本系统灵活可调、控制准确，性能稳定。关键词：自动控制 AT89C52单片机 多级调速目 录1 系统方案本系统主要采用了闭环控制系统对整个系统电路实现联动控制。闭环框图如图

2、1所示电路由控制模块、显示模块、驱动模块、传感器模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。图1 闭环控制系统框图1.1 控制模块的论证与选择方案一：采用凌阳公司的16位单片机。方案二：采用Atmel公司的AT89S52单片机。对于方案一，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。但是价格比较贵。对于方案二，AT89C52是一个低功耗、性能优良、价格便宜的8位单片机，片内含8k空间的Flash只读存储器，具有128B的随机存取数据存储器（RAM），32个IO口，3个16位定时器/计数器。89C52还可工作于低功耗模式性价

3、比很高，对于我们的使用它完全能满足要求。综合考虑采用方案二。 1.2 显示模块的论证与选择方案一：采用数码管显示角度，动态扫描显示方式。方案二：采用液晶显示屏LCD显示角度。对于方案一，该方案成本低廉，显示角度明确醒目，功耗低，显示驱动程序的编写也相对简单。不足之处是数码管可以显示的字符有限，显示单一。对于方案二，液晶显示屏具有显示字符优美，不但能显示数字还能显示字符甚至图形的优点，人机界面友好，这是数码管无法比拟的。综合考虑采用方案二。1.3 驱动模块的论证与选择方案一：采用MOS管驱动电路。方案二：采用LM298N电机驱动芯片，LM298N可以通过单片机实行PWM调速。对于方案一，由于MO

4、S管的三个管脚之间有寄生电容存在，寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要考虑有效接地。方案二，LM298N是专门的电机驱动芯片，能连接主控芯片实现电机转速的实时调节，该芯片驱动能力强劲，性能稳定，完全用程序进行控制。综合考虑采用方案二。1.4 传感器模块的论证与选择方案一：采用光电二极管电路，接收光信号的多少和帆板偏转的角度成正比，并将光信号转换为电压信号，来反映角度的变化。方案二：采用SC60C角度传感器专用芯片，通过角度的改变输出的电压相应发生变化。它的抗冲击能力强，能耗低，性能稳定。对于方案一，该电路结构简单、价格低廉。但在实际运用中测量精度太小，环境适应能力不高，无法满足系统要

5、求。对于方案二，该芯片性能稳定，测量精度高，外围元件少，使用方便，符合要求。综合考虑采用方案二。1.5 电源模块的论证与选择方案一：采用12V直流电池经7805稳压后给单片机和其他芯片供电。方案二：采用220V交流电经变压器降压，整流后再采用LM2576将电压稳至5V和12V。对于方案一，7805压降过大，使7805消耗的功率过大，导致7805发热量过大。对于方案二，2576的输出电流最大可至3A，完全满足系统要求。综合考虑采用方案二。1.6 系统模块选择总体论述综上所述，本系统采用AT89C52单片机为主控芯片，L298N为电机驱动芯片，12V的直流电机，SC60C角度传感器，ADC0809

6、模数转换芯片，和LCD1602液晶显示面板最终构成完整的帆板控制系统电路。2 系统理论分析与计算2.1 电机转速的分析本系统通过调节电机的转速来控制帆板偏转的角度。采用直流电机带动风扇产生风力，单片机控制电机转速，构成直流调速器。单片机通过脉冲宽度调制（PWM）进行调速。在PWM调速中，通过改变脉冲处于高电平的时间长短来改变电机的转速。改变处于高电平的时间也就是改变脉冲的占空比。占空比越高，电机被高电平触发的时间越长，电机的转速就越快。PWM的脉冲周期为T，高电平时间为Rpwm，低电平时间为t0，则T=Rpwm+t0，在保证T不变的情况下改变Rpwm，即可改变电机的速度。2.2 角度显示的分析

7、本系统中使用SC60C角度传感器，它通过电压的变化来体现角度的变化。角度变化经过传感器变成电压信号，经过模数转换电路输入单片机。电压的变化来表现角度的变化计算过程：测出帆板偏转0° 60°时，电压的变化区间，然后通过等式b=a/65得出平均每度对应的电压值，最后在C语言编程中通过c=r/b得出角度c（其中r为取样电压值）。3 电路与程序设计3.1 电路的设计 系统总体框图本系统由单片机AT89C52、电机驱动电路、角度传感器SC60C、模数转换、LCD显示屏1602、蜂鸣器、键盘、电源电路组成。单片机编程实现控制，通过修改程序可方便进行系统升级。系统总体框图如图2所示。图2

8、 系统总体框图 单片机子系统电路原理图单片机子系统由单片机AT89C52、复位电路、时钟电路组成。单片机子系统电路如图3所示。图3 单片机子系统电路原理图3.1.3 驱动电路子系统电路原理图驱动电路子系统电路由L298N构成。L298N内部包含4通道逻辑驱动电路。可以方便地驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。它的输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用方便。电路如图4所示。图4 驱动电路子系统电路原理图角度传感器采用的是SC60C，如图5所示。它是单轴倾角传感器，测量范围1g（±90°）单极5V供电，为比

9、例电压输出，模拟0.5V4.5V输出。主要应用为双轴平台调平，倾斜角度测量和加速度或者位置测量。它的优点是工作温度范围宽，抗冲击能力强，能耗低。图5 角度传感器SC60C角度传感器SC60C的输出电压是模拟信号，需经模数转换后才能送入单片机AT89C52。模数转换电路采用ADC0809芯片构成。ADC0809是逐次逼近式A/D转换器，带有8位A/D转换器、8路多路开关以及与微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。模数转换电路原理图如图6所示。图5 模数转换子电路原理图3.1.6 电源电源由变压器、滤波电路、稳压电路组成。为整个系统提供5V和12V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，

10、都采用三端稳压管实现，故不作详述。3.2 程序的设计 程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求，软件部分主要实现以下两大功能：1）键盘实现功能：电机的转速调节，角度值的设定。2）显示部分：显示偏转角度，显示风速档位。2、程序设计思路本程序是帆板偏转角度的智能控制系统，通过对风扇转速的控制，调节风力的大小，改变帆板的转角。本系统有三种工作模式。在模式一下，用户手动调节帆板转角，此时角度传感器实时采集角度信号，以模拟电压形式送给ADC0809转换器，由ADC0809将模拟信号转换为数字信号送给单片机，再由单片机处理后送给液晶显示屏上显示。在模式二下，由用户通过按键进行设置，增大、减小风扇

11、的转速，单片将控制信号输入电机驱动电路，由电机驱动电路控制风扇转速，使帆板的偏转角度发生变化。同时，角度传感器实时采集角度信号，经由ADC0809进行模数转换后送给单片机，由单片机处理后送给液晶显示屏上显示。在模式三下，由用户通过按键设置指定偏转角度（0°60°），由单片机对电机实现PWM调速。通过改变脉冲处于高电平的时间长短（即改变脉冲的占空比）来改变电机的转速，占空比越高，电机被高电平触发的时间越长，电机的转速就越快。当实际角度小于设定值时，增大占空比；当实际角度大于设定值时，减小占空比。在此过程中实时采样实际角度，与设定值对比。运用了比较法和反馈法，准确无误地将帆板偏

12、转角度控制在设定值。 程序流程图1、主程序流程图主程序流程图如图6所示。图6 主程序流程图2、显示子程序流程图显示子程序流程图如图7所示。图7 显示子程序流程图3、反馈调节子程序流程图反馈调节子程序流程图如图8所示。图8 反馈调节子程序流程图4 调试由于本次设计实现的功能比较多，硬件复杂，故设计电路采用模块化设计，我们将所有模块电路全部在万能板上焊接调试，每块板子的功能全部实现，最后全部板子联合调试，由于模块较多在实际测试过程中遇到一些具体问题，比如说电机的驱动电压不够，出现问题后我们首先检查电路的连线，没有问题，接着检查焊点的焊接质量，经过检查焊点、电路我们加固了走线和焊点，但问题还是存在，

13、在仔细的思考检查后，查出是驱动板的地没有与系统电路的地相连。通过这次问题让我们明白在以后的电路设计和调试中要有模块化思想也要有整体的概念，所有的电路是一个系统。这个思想要贯穿在整个设计、安装、调试中。我们通过仔细耐心的调试最终实现了全部功能。测量数据如表1所示。表1 角度测量数据实际角度11°22°34°45°53°61°70°显示角度10°20°30°40°50°60°67°误差1°2°4°5°3°1&#

14、176;3°5 结论综上所述，本系统实现了以下功能：（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°，分辨力为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，并实时显示。（3）当间距d=10cm时，操作键盘控制风力大小，使帆板转角稳定在45°±5°范围内。有声光提示，（4）当间距d=10cm时，通过键盘设定帆板转角，其范围为060°。（5）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°。（6）在上述功能全部实现的基础上我们加入了模式三，它为“自然风”的设计，能够输出自然舒适的风力。参考