帆板控制系统-毕业论文

帆板控制系统 摘 要 本帆板控制系统是以STC89C52单片机为核心，应用PWM技术、旋转角度传感器角度传感器和AD转换技术实现了帆板控制系统的设计。系统应用PWM脉冲宽度调制方式实现对风扇风速的多级调整；不同风速下系统通过风扇吹动帆板，控制帆板转角从060任意变化，同时帆板的角度由旋转角度传感器检测，通过AD转换后在LCD-1602上显示。系统不仅可以通过键盘调整风速使帆板达到合适的角度，而且可以通过风扇转速的自动调节，控制帆板精确转动，使帆板的角度与输入的角度一致。经实验调试，帆板控制系统的设计较好地满足了任务要求。 关键词：STC单片机、PWM调速、旋转角度传感器 、AD转换一、系统方案、1、主控制模块的论证与选择： 方案一：采用FPGA或CPLD作为系统的控制器。优点：可以实现复杂逻辑功能，规模大，速度快，密度高，体积小，稳定性高，容易实现仿真、调试和功能扩展。缺点：成本高，引脚多，PCB布线复杂。本设计对数据的处理要求不高，此方案的优势得不到充分体现。 方案二：采用51单片机作为系统的控制器。优点：算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，技术成熟，体积小，成本低，容易实现仿真、调试和功能扩展，并而51MCU的运用比较熟练。 缺点：速度相对较低。 方案三：采用AVR单片机作为系统的控制器。优点：AVR的ATMEGA16L芯片内部带有AD转换以及PWM电机高速功能，能够方便地解决整个系统的问题，是个很好的控制方案，但本设计取决于对相关技术的熟悉程度。所以选择方案二。2、电机控制模块的论证与选择： 方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制。通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。此方案电路简单，但继电器易损坏、寿命短，可靠性不高。 方案二：采用由分离元件达林顿管组成的H型桥式PWM电路驱动电机。这种电路由于管子交替工作在饱和与截止的模式下，因此效率非常高。H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极强。 方案三:采用单片集成电路L298构成PWM电机驱动电路。L298N芯片是较常用的电机驱动芯片。该芯片有两个TTL/CMOS 兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性能，可用单片机的I/O口提供信号，电路简单、易用、稳定，具有较高的性价比。综合以上三种方案，选择方案三。3、角度传感器模块的论证与选择：方案一：通过单圈精密可调电阻转换成角度的变化。单圈精密可调电阻通过A/D转换后，由模拟信号转换成数字信号，通过转换变成角度的变化显示在液晶屏上。通过实验可以发觉由于可调电阻的转轴比较紧，偏转的角度不明显，造成测试的结果不理想，与要达到的要求不符合，所以方案二舍弃。 方案二：数字加速度传感器。MMA7455数字加速度传感器是一款数字输出（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检测、以及脉冲检测（用于快速运动检测）等功能。但是由于其成本高，控制比较复杂和麻烦，根据团队的实际，决定不采用这个方案。 方案三：模拟旋转角度传感器检测角度的偏转。模拟旋转角度传感器是基于可调电位计工作原理所设计，其不仅可以做为可调电阻控制电机转速，还可以在其旋转头部安装单摆轮，测量倾角，旋转角度从0到270度，其而且体积小的特点，便于安装；转轴比较滑，这样便能够准确地带动帆板的转动使其偏转一定的角度。 所以选择方案三。4、显示模块的论证与选择： 方案一：使用LCD-1602显示屏。优点：功耗小，显示数字与阿拉伯字母等字符。缺点：编程难度较高。 方案二：使用LCD-12864显示屏。优点：带有汉字、图形、多种显示形式。缺点：编程难度较高，价格昂贵。 方案三：使用LED数码管。优点：编程难度低。缺点：功耗较大，电路连接相对较复杂。在低功耗下，显示界面友好、内容丰富，综合考虑，选用LCD-1602来实现显示功能下，选择了方案一。二、电路与程序设计2.1电路的设计2.1.1系统总体框图： 电源模块 电机控制模块 控制模块 帆板 键盘模块 模拟角度传感器 显示模块 声光提示 AD转换器 图1-1 系统的主控制框图 说明：控制模块是以STC89C52为核心部件，ADC0832通过采集模拟旋转角度传感器返回的信号转换成数字量，通过角度的换算显示在LCD-1602显示屏上。键盘能够选择工作模式和功能的实现。当某一项功能实现的时候，并附有声光提示。2.1.2电机驱动电路：图1-2 电机控制电路 电机控制电路如图1-3所示。采用单片集成电路L298构成PWM电机驱动电路。L298的IN1引脚和ENA引脚与单片机IO口连接，L298的OU1引脚和OUT2引脚与电机两端相连。 采用PWM调速的方法对电机进行控制，单片机IO口输出PWM信号到L298的IN1引脚，通过对PWM信号占空比的变化调节电机的转动速度，同时单片机控制L298的ENA引脚，使能L298的OUT1和OUT2引脚的输出，从而启动或停止电机工作。2.1.3角度检测电路： 角度检测电路如图1-4所示。图1-4中，P20为模拟旋转角度传感器，传感器能根据检测到的角度变化输出与检测角度成正比的模拟电压，检测角度的范围为0O270O，模拟电压的范围为05V。模拟电压由传感器OUT引脚输出，通过ADC0832的CH0端送入ADC0832中。ADC0832对模拟电压进行AD转换，再把转换后的数字量通过DO端送进单片机。 图1-3 角度检测电路 AD电路用于转换旋转角度传感器输出的模拟信号，变成数字量输入到单片机，通过角度传化计算，显示在LCD-1602上。2.1.5 矩阵键盘电路：图1-4 矩阵键盘电路 矩阵键盘电路如图1-6所示。利用矩阵键盘可控制风扇风速，输入帆板角度，系统工作模式的设定值。2.2程序的设计 主程序流程图： 开始21 模式选择 角度设定 电机控制 电机调速 角度检测 角度检测 显示否 显示是 是否退出否是否到达设 定值？ 调节转速 是是 是否退出图1-5 程序流程图 说明：该程序流程图程序设有模式选择功能，根据模式的选择，键盘的输入与PMW的控制，实现所要的功能。三、测试方案3.1测试方案3.1.1、硬件调试：总结分析电路图总体测试模块电路测试 图1-6 硬件流程图 说明：根据该流程图，依次检测单片机模块、电机控制模块、键盘模块等的检测，经检测存在小小的问题，但经过耐心的检测与讨论，最终解决了问题的所在。3.1.2、软件调试： 在功能控制模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规的模拟PID控制系统原理框图如图所示。 比例被控对象 微分 积分+y(t)+u(t)e(t)r(t)+ 图1-7 模拟PID控制系统原理图 该系统由模拟PID控制器和被控对象组成。图中， r(t)是给定值， y(t)是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e(t)。 公式： e(t) = r(t) y(t) （式11） e (t)作为PID控制的输入，u(t)作为PID控制器的输出和被控对象的输入。通过上述的PID算法，可以很好的控制电机的转速。四、测试结果4.1 测试仪器 测试仪器：模拟电压表、角度尺 、直尺 、秒表4.2 测试结果及分析4.2.1基本要求的测试结果(数据)： 基本要求（1）：手动帆板测量的转角如表41所示： 实际值5O10O15O20O25O30O35O40O45O50O55O60O测量值6O12O17O 19O27O30O33O42O44O52O54O 62O绝对误差+1O+2O+2O -1O+2O-1O-2O+2O-1O+2O-1O+2O 根据表41所测试的数据，很好的达到了系统的要求。 基本要求（3）：帆板转角稳定在4050范围的测试如表42所示：实验次数 12345角度范围4347O4347O4448O4347O4348O所需时间4s5s6s5s7s 根据表42所测试的数据与角度显示。在这个测量中，都很好的在10秒内，到达题目的要求。4.2.2发挥部分的测试结果(数据)： 发挥部分（1）： 当间距d=10cm时，键盘设定帆板角度的测试如表33所示： 设定值 5 15 25 35 4555角度范围 410 1218 1928 3238 42495159所需时间4s3s3s2s3s4s 对于这部分的测试，基本达到了功能的要求，达到了最大误差不超过5度。发挥部分（2）： 当间距d=7cm时，键盘设定帆板角度的测试如表44所示： 设定值 5 15 25 35 4555角度范围 611 1022 2232 3240 41525160所需时间4s3s2s3s4s4s 当间距d=9cm时，键盘设定帆板角度的测试如表45所示： 设定值 5 15 25 35 4555角度范围 511 1020 2228 2739 41535260所需时间4s4s3s3s5s5s 当间距d=12cm时，键盘设定帆板角度的测试如表46所示： 设定值 5 15 25 35 4555角度范围 411 1019 2328 2740 41505360所需时间4s3s4s5s5s6s 当间距d=15cm时，键盘设定帆板角度的测试如表47所示： 设定值 5 15 25 35 4555角度范围 29 812 1928 2740 41525160所需时间4s3s5s4s6s7s 对于上述所测试的数据结果，要功能达到所需的要求还有点点的距离。五、设计总结 本系统采用STC89C52单片机为控制核心，通过键盘控制直流电机风扇的风速，系统通过风扇吹动帆板，控制帆板转角从060o任意变化，同时帆板的角度由模拟旋转角度传感器检测，通过ADC0832转换并在LCD1602上显示。经过多次的整体软硬件结合调试，不断地对系统进行优化。液晶屏上能显示单片机的工作状态和其他功能的实现。作品的成功完成，经过了太多的挫折和苦难，这也让我