全国电子设计大赛论文-帆板控制系统论文.doc

赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字： 帆板控制系统（F题）摘要：本帆板控制系统由8位MCU为主控制器，通过AD转换，对红外接收管接收的模拟量进行采样，先通过TLC2543变换运算，把模拟量转变成数字量，从而测出帆板的转动角度，然后把信号反馈回去，再由主控制器去控制L298N去控制直流电机转动的方向及转速，从而达到控制帆板的转动的角度以及对其的测量。在另一模式下，可以通过按动按键逐步调节风扇转速去调节帆板的转动角度，也可以直接设置帆板需要转动的角度，让系统自行将帆板吹到设置的角度,测量精度高达2度，能够准确的测量和调节帆板的角度，是一个价格及性能综合考虑的方案。关键词： TLC2543 MCU L298N 角度 控制1 方案论证与比较1.1 采样方法比较与选择方案一：用TLC2543 12AD转换芯片配合电位器对信号进行采集，通过电位器跟随帆板旋转产生的电阻变化作为变化模拟信号，然后由TLC2543对电位器变化的模拟信号进行A/D转换和采集，最后送MCU处理。但是电位器变化阻值误差太大，导致所测角度不准。方案二：用霍尔传感器安装到帆板上然后将些许小磁铁安装到一个圆盘上，用MCU直接检测霍尔的信号，然后去计算帆板转过的角度，但是由于磁铁安装少了，测量的精度不够，磁铁太多又会使霍尔的信号不变，从而测量不到角度，该方案较难实现。方案三：在帆板的机架安装红外对管，帆板转动时红外接收的光信号，随帆板转动而变化，红外接收的光信号模拟量，运用A/D读回模拟量，在单片机程序中进行角度转换及计算，处理方便，所测角度也准确度大大提高。所以该设计采用红外对管来采集帆板偏转的角度信号。1.2 处理器的比较与选择由于51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少，89C51系列单片机价格便宜，功能相对够用，抗干扰能力强，Flash存储容量大，兼容做的很好，应用广泛，所以在帆板控制系统中是很好的选择。1.3转换方案方案一：采用TLC2543，TLC2543为12为串行模数转化芯片，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转化过程，在输入电压为0-5V时，电压精度可达到1.2mv。由于采用串行结构，能够节省51单片机的IO口资源，价格适中，外围电路简单等，稳定可靠。方案二：ADC0832是并行接口的8位A/D转换器，ADC0832转换速度慢，转换精度第，在此很难达到系统设计要求。1.4数据显示方案 方案一：采用字符型LCM1602液晶显示器。该显示器件低功耗、尺寸小，超薄轻巧，价格便宜，编程方便，由于在整个系统设计中只需显示转动角度和当前角度，所以从性价比上，本设计选用LCM1602液晶显示装置。方案二：采用LCM12864汉字显示器件，该器件价格较高，编程复杂，主要考虑设计成本和完成功能的方面，在本设计中没有采用LCM12864图文显示装置。1.5电源选择方案方案一：采用10节1.5V干电池供电，电压达到15V经7812稳压后给直流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。但干电池电量有限，使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便，因此，我们放弃了这种方案。方案二：直接通过市电降压，经LM7812和LM7805稳压后分别给直流电机、MUC主控芯片等供电，电机的启动和停止时产生的电磁干扰相对较小，能够保证整个系统能够可靠工作，同时电路也易于制作，故采用此方案。1.6电机的选择方案一：步进电机：精度高，但转速慢，不能提供快速旋转带动扇叶吹动帆板。方案二：伺服电机：耐环境方面还是比较好的，但是编码器部分非常脆弱，不能撞击或敲击。抗电磁干扰要求也高（线缆部分）。相比之下精度也要高些，但是价格昂贵，用在帆板控制系统中确实有点不适。方案三：直流电源：比同等级交流电机有更大的起动转矩、调速性能好、调速方式成熟，调速方式简单，易控制，是帆板控制的最佳选择。1.7键盘选择方案一：选择独立按键，独立键盘具有结构简单，程序简单，但是程序量大，占用单片机存储空间大，由于本系统需要16个按键来完成系统的所有功能，因此如果采用独立按键会占用大量I/O口，浪费单片机资源。方案二；矩形键盘程序复杂，但是程序占用内存量小，并且节省了I/O口，可以有效的利用单片机资源。所以本系统采用矩阵键盘来实现。2 系统设计2.1 总体设计整体系统的设计思路为红外的信号经过一个10k的电阻分压以后，送到10位AD转换TLC2543，由于需要高精度的角度测量，因此要将测到的每个数字量对应的角度进行处理，又由于红外的非线性影响，因此必须对每一个角度进行矫正。然后通过主控芯片将其角度转换出来。在经过处理送到显示器LCM1602上显示。风扇的转速和帆板的转动角度通过AD转换和驱动芯片构成了一个闭环系统，当风扇的转速使帆板的角度与设定的角度或显示的角度不符时，MCU通过接收红外对管电压的变化，通过转换的数据送到L298N来控制风扇的转速，最终使帆板稳定在一定的角度。系统实现的总体电路框图如图1所示，总电路图见附件2。信号号号 TLC2543进行AD转换电位器转换成模拟电信号MCU主控芯片1602显示器4x4矩阵键盘L298N直流 电机控制直流电机带动风扇系统图1 总体设计框架图2.2 单元电路设计2.2.1 键盘电路设计 键盘电路如图2所示，采用矩阵键盘来实现16个按键的处理任务，共占用了MCU的8个I/O口，大大节约的单片机的硬件资源。 图2 矩阵键盘模块 2.2.2 AD转换及MCU主电路电路设计采用12位串行AD转换器TLC2543对输入信号进行转换，将转换的数据送8位AT89S52内进行数据处理，然后将处理后的控制信号和输出信号分别送给风扇控制芯片和LCM1602显示装置，来实现闭环系统的控制。电路图如图3所示。图3 AD转换及MCU主控电路2.2.3 L298N风扇驱动电路模块L298N是电机控制专用芯片，它可以控制步进电机和直流电机，电路设计比较简单，外围器件少，在本系统中采用L298N控制直流电机的运转，从而控制风扇的转动，并且通过红外对管采集的电压信号实现闭环控制，可以实现风扇从低速到高速的运行，从而完成题目 图4 L298N控制电路模块要求的在d=10cm时用电机控制帆板从060度的变化功能，同时通过这种方法可以实现基本要求（3）和发挥部分的全部功能，并且还把题目要求的距离d=715cm的距离扩大到d=517cm。3 软件设计软件设计共包括六大模块：系统初始化、主循环、AD转换、数据处理、显示模块和PWM电机控制，其整体流程图如图5所示。系统初始化主循环启动TLC2543进行AD转换数据处理反馈 显示处理PWM电机控制 主程序液晶、中断初始化初始界面手动及加减检测角度度45度定位调节按键设置角度 图5 整体程序设计流程图 图6 主循环模块 主循环流程图如图6所示，显示程序流程图如图7所示，PWM程序流程图如图8所示。显示初始状态显示显示实时帆板角度显示帆板角度与设定角度 图7 显示程序流程图按键控制PWM控制帆板角度保持 4s帆板转向YN反馈调节pwm帆板控制角度保持设定温度AY设定温度N反馈调节 图8 PWM程序流程图4 系统测试 本设备的操作说明见附件1。4.1 基本要求中（1）的测试数据固定电机到帆板之间的距离，用手转动转角，测试帆板转动得值与红外检测值比较如表1所示，本系统完成了基本要求（1）的功能。 表1 基本要求中（1）的测试数据次数转角值（度）测到转角值（度）距离（cm）误差值（度）1547712210912713201921714504951714.2 基本要求(2)数据测试固定电机到帆板之间的距离d=10cm，通过按键控制风力的大小，使帆板角度能够在060度范围内变化，同时在LCM1602上显示实时角度，测试数据如表2所示，本系统完成了基本要求（2）的功能。表2 基本要求中（2）的测试数据按键次数帆板转角（度）显示转角（度）距离（cm）误差值（度）311121112101522232223100825272527101113032303210115404240421002045484548101244952495210230576057601004.3 基本要求(3)数据测试当间距d=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。要求控制过程在10 秒内完成，实时显示，并由声光提示，以便进行测试。同时在LCM1602上显示实时角度，测试数据如表3所示，本系统完成了基本要求（3）的功能。表3 基本要求中（3）的测试数据帆板转角（度）显示转角（度）距离（cm）误差值（度） 是否报警43454345102是43454345101是43454345102是43454345102是43454345101是43434345103是4.4 发挥部分（1）数据测试当间距d=10cm 时，通过键盘设定帆板转角，其范围为060。要求在5 秒内达到设定值，并实时显示。最大误差的绝对值不超过5。同时在LCM1602上显示实时角度，测试数据如表4所示，本系统完成了发挥部分（1）的功能。 表4 发挥部分（1）数据测试设定角度（度）帆板角度(度)测到角度(度)距离(cm)误差值(度)9119119111029119119111009119119111024446444647103444644465110144464446571004.5 发挥部分（2）数据测试间距d 在715cm 范围内任意选择，通过键盘设定帆板转角，范围为060。要求在5 秒内达到设定值，并实时显示。最大误差的绝对值不超过5。同时在LCM1602上显示实时角度，测试数据如表5所示，本系统完成了发挥部分（2）的功能。表5 发挥部分（2）数据测试次数帆板转角(度)测到转角(度)距离(cm)误差值(度)设定帆板转角19119117110291191181103911911101104911911151105444644467145644464446814574446444610145844464446151454.6 发挥部分（3）数据测试 固定转角，用手改变间距d=517cm滑动，测试帆板转动得值与液晶显示数据值比较值如表6所示。 表6 发挥部分（3）数据测试次数转角值（度）测到转角值（度）距离（cm）误差值（度）1454247523245434681234544461012445424717235 结论本系统以89S52芯片和直流电机为核心部件，通过TLC2543转换，对红外接收管接收的模拟量进行采样，可以通过按动按键逐步调节风扇转速去调节帆板的转动角度，也可以直接设置帆板需要转动的角度，让系统自行将帆板吹到设置的角度,测量精度高达2度，能够准确的测量和调节帆板的角度，是一个价格及性能综合考虑的方案。由于系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，较好地达到了题目要求的各项指标。参考文献：1.数字图像处理学，元秋奇著，北京：电子工业出版社，2000年；2.模拟电子线路基础，吴运昌著，广州：华南理工大学出版社，2004年；3.数字电子技术基础，阎石著，北京：高等教育出版社，1997年；4.单片机原理及应用，李建忠著，西安：西安电子科技大学，2002年5.单片机应用程序设计技术M. 何立民著，北京航空航天大学出版社. 2003年.第二章6.单片机实用低功耗设计M. 吴少军、刘光斌著，人民邮电出版社.2005年.7.全国大学生电子设计竞赛电路设计M. 黄智伟著.北京：北京航空航天大学出版社 2006. 附录1 操作说明 图9 各按键功能说明本作品主要通过红外传感器实时检测帆板的转角，并且可以通过按键调整，设置帆板角度。单片机上电后，1602液晶显示初始界面，“Welcome Please select”在此状态下（状态一）若按下1次“状态”键后再按下“确定”键则单片机跳转到状态二（手动或自动检测帆板角度），在这个状态下若用手托住帆板下端改变帆板的角度，则在1602液晶上将显示帆板的实时角度值；此状态下还可以通过按键启动，调整电机转速。当重复按下“加速”键可以逐渐增加电机转速，当重复按下“减速”键可以逐渐减慢电机转速；此时1602液晶实时显示帆板角度；在状态二下若按下“返回”键则返回初始界面。在初始界面是若按下两次“状态”按键后再按下“确定”键则单片机跳转到状态三（通过按键控制帆板恒定转过45度）在此状态下当重复按下“加速”键可以逐渐增加电机转速当帆板转角在45度正负5度时则停止按“加速”键，若超出45度则可适当按下“减速”键，将其保持在45度左右，若达到题目要求将发生声光报警，若此时按下“停止”键将停止电机转动和取消声光报警，在此状态下若按下“返回”键则返回初始界面。在初始界面是若连续按下三次次“状态”按键后再按下“确定”键则单片机跳转到状态四（通过键盘设定帆板转角并维持），在状态四的情况下可以设置帆板转角，但此设置转角数必须为两位且小于或等于60（例：05度, 56度）数值将显示在1602上然后按下“确认”键，电机转动将帆板陆续吹倒设定值并保持；最后再按下“返回”键程序将返回到初始状态（状态一），以此循环往复工作。附件2 总电路图1帆板控制系统原理图 图10 系统电路原理图2帆板控制系统PCB印刷图 图10电源模块 图11 帆板控制模块 图12 L298N模块 图13 按键模块附录3 程序清单1. 主程序#pragma OT (5,speed)#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit beer =P17;uchar state=1,tcbz=0,fskz=0;uint temp=0,temp2=0,temp3=0,sjjd=0,sjjd1=0,designe_jiaodu=0,num=1000;bit Flag;uchar data key_jiaodu2;#includeLCD1602.h#includeAD2543.h#includebiaoge.h#includedisplay.h#includepwm.h#includekeyboard.h#includecheck.hvoid main(void) Init_LCD(); init(); temp3=read2543(0); beer=0; dianji=0; while(1) switch(state) case 1: display1(); /初始状态 keycan1(); break; case 2: display2(); /手动及加减检测角度 keycan2(); break; case 3: display2(); /调45度 check3(); keycan3(); break; case 4: display4(); /按键设置角度 keycan4(); if(designe_jiaodu+330)check5(); else check4(); break; 2头文件#ifndef _pwm_h_#define _pwm_h_sbit dianji=P30;uchar CYCLE=60,m=0; /定义周期 该数字X基准定时时间 如果是10 则周期是10 x 0.1ms char PWM_H=60 ;/定义高电平时间 void init() TMOD=0x011; /定时器设置 0.1ms in 12M crystal TH0=(65536-100)/256; TL0=(65536-100)%256; /定时0.1mS TH1=(65536-1000)/256; TL1=(65536-1000)%256; EA=1; ET0=1; ET1=1; TR0=0; TR1=0;void tim() interrupt 1 static uchar count; TH0=(65536-100)/256; TL0=(65536-100)%256; count+; if (count=PWM_H) dianji = 1; /电机转 else dianji = 0; if(count = CYCLE) count=0; void tim2() interrupt 3 m=m;if(m)dianji=0;TH1=num/256;TL1=num%256;elsedianji=1;TH1=(65536-num)/256;TL1=(65536-num)%256; #endif#ifndef _keyboard_h_#define _keyboard_h_uchar scan=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;uchar c4=15,anjian_num=0,c2=10,c1=10,number1=0;uchar keycan() uchar i,j,ini,inj,temp,find=0; for(i=0;i4;temp=temp|0xf0;for(j=0;j3)number1=0;if(key1=15) if(number1=1)state=2;TR0=1;Init_LCD(); else if(number1=2)PWM_H=60;TR0=0;dianji=0;state=3;Init_LCD(); else if(number1=3)state=4;Init_LCD(); void keycan2() /static uchar number2=0; uchar key2; key2=keycan(); if(key2!=c2) c2=key2;if(key2!=20) switch(key2) case 13:TR0=1;PWM_H=PWM_H-2;if(PWM_H0)PWM_H=0;break;/加风case 14:TR0=1;if(PWM_H=60)PWM_H=PWM_H+2;break; /减风case 12:PWM_H=60;TR0=0;dianji=0;break; /停止 if(key2=11)number1=0;state=1;PWM_H=60;TR0=1;Init_LCD(); void keycan3() static uchar c3=30; uchar key3; key3=keycan(); if(key3!=c3) c3=key3;if(key3!=20) switch(key3) case 13:TR0=1;PWM_H=PWM_H-5;if(PWM_H0)PWM_H=0;break;/加风case 14:TR0=1;if(PWM_H=60)PWM_H=PWM_H+5;break; /减风case 12:PWM_H=60;TR0=0;dianji=0;break; /停止 if(key3=11)number1=0;state=1;PWM_H=60;TR0=1;Init_LCD(); void keycan4() static uchar number=0; uchar key4; key4=keycan(); if(key4!=c4) c4=key4;if(key4!=20) if(number=0)&(key4=6)key_jiaodu0=key4; if(number=1)&(key410)key_jiaodu1=key4; if(key410)|(key4=15)number+;/ if(number=3) if(key4=15) TR1=1;TR0=0;tcbz=1; if(tcbz=1) if(key4=11) num=1000;number1=0;c4=15; key_jiaodu0=0;key_jiaodu1=0;number=0; TR1=0;TR0=0;dianji=0;state=1;Init_LCD(); #endif#ifndef _LCD1602_H_#define _LCD1602_H_#define DatePort P0sbit RS = P10;sbit RW = P11;sbit EN = P12;void delay_LCD(uint k) uchar i; while(k-) for(i=0;i113;i+);void Write_com(uchar com) RS=0; RW=0; DatePort=com; EN=1; delay_LCD(2); EN=0;void Write_dat(uchar dat) RS=1; RW=0; DatePort=dat; EN=1; delay_LCD(2); EN=0;void Init_LCD(void) Write_com(0x38); Write_com(0x06); Write_com(0x01); Write_com(0x0C);#endif#ifndef _AD2543_H_#define _AD2543_H_sbit AD_OUT = P16;sbit AD_IN = P15;sbit AD_CS = P14;sbit AD_CK = P13;void delayus(uint m) while(m-);uint read2543(uchar port) uint ad=0; uchar j; AD_CK=0; AD_CS=0; /片选 /port=4; delayus(50); for(j=0;j12;j+) ad=1; if(AD_OUT)ad|=0x01; AD_IN=(bit)(port&0x08); /写选通地址 AD_CK=1; delayus(6); AD_CK=0; delayus(3); /port=1; / return(ad);#endif#ifndef _display_h_#define _display_h_/sbit led=P12;uint temp1;uchar code disp= Welcom! ;uchar code disp1= Please select ;uchar code disp2=Angle:;void display1() uchar k; Write_com(0x80); k=0; while(dispk!=0) Write_dat(dispk); k+; k=0; Write_com(0xc0); while(disp1k!=0) Write_dat(disp1k); k+;void display2() uchar k; static uchar i2,h2; i2+; if(i22)&(h23) temp1=read2543(0); temp2=temp2+temp1; i2=0;h2+; if(h2=2) h2=0;temp=temp2;temp2=0;temp=temp/2; sjjd=out_jiaodu(temp); sjjd=sjjd*10; Write_com(0x80); k=0; while(dispk!=0) Write_dat(dispk); k+; k=0; Write_com(0xc0); while(disp2k!=0) Write_dat(disp2k); k+; Write_dat(sjjd/100+0x30); Write_dat(sjjd/10%10+0x30); Write_dat(.); Write_dat(sjjd%10+0x30); Write_dat(0xdf); void display4() uchar k; static uchar h4; if(h47) temp1=read2543(0); temp2=temp2+temp1; h4+; if(h4=6) h4=0;temp=temp2;temp2=0;temp=temp/6; sjjd1=out_jiaodu(temp); sjjd=sjjd1*10; W