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1、 2011 年全国大学生电子设计竞赛 帆板控制系统帆板控制系统 F 题题 高职高专组高职高专组 参赛编号 105215 赛 区 河南赛区 组 别 高职高专组 题 目 帆板控制系统 2011 年年 9 月月 3 日日 20112011 年年 F F 题题 帆板控制系统帆板控制系统 本系统采用高性能 低功耗 内含 8 路 10 位 A D 的单片机芯片 AVR ATMEGA128 作为系统的主控芯片 设计帆板控制系统 通过单片机编程生成 PWM 控制风扇的转速 调节风力大小 吹动帆板摆动 经过测试 作品达到了 题目基本要求 帆板控制系统设计报告 摘要 该文是一个帆板控制系统设计报告 以 AVR A
2、TMEGA128 单片机最小系 统板作为系统的主控电路 包括按键显示电路 采用专用电机驱动芯片 L298N 作为 FFC1212DE 直流风扇的驱动电路 用高精度角度传感器 WDD35D4 实时检 测帆板偏转角度 将偏转角度转化为电压信号 通过 AVR MEG 128 单片机 其自带的 A D 转换 将采样到的电压信号进行数字滤波算法分析 转换输出帆板 偏转的角度 用单片机生成 PWM 控制脉冲 通过控制 PWM 的占空比控制风扇 的风速大小 并用 LCD1602 液晶实时显示测量的角度 控制算法采用数字滤波 算法和 PID 积分算法 经过测试 作品达到了题目的要求 关键词 单片机 PWM 控
3、制 帆板 角度控制 The Panels Control System Design Report Circuit Subject group electrical Department of electric information engineering Henan Institute of Engineering Zhengzhou Henan 450005 Abstract This system is a panels control system design With AVR ATMEGA128 single chip processor is proposed as a min
4、imum the system board of the system the main control circuit with the necessary buttons show circuit Using special motor drive chip L298N as FFC1212DE dc fan driver circuit with high precision Angle sensor WDD35D4 real time detection deflection Angle deflection the panels will be Angle into voltage
5、signal Through the AVR ATMEGA128 single chip processor is proposed its own A D conversion will the voltage signal sampling to digital filtering algorithm analysis the Angle of output conversion panels deflection With single chip computer PWM control pulse generating through the control of PWM duty r
6、atio control fan of the wind speed size And LCD1602 liquid crystal displays real time measurement of the Angle Control algorithm USES digital filter algorithm and integral PID algorithm After the test the work to subject demand Keywords Single chip microcomputer PWM control The panels Turn control 目
7、录目录 1 系统方案 4 1 1 电机驱动模块的论证与选择 4 1 2 角度传感器的论证 4 1 3 显示模块的论证 4 1 4 风扇模块的论证 4 1 5 电源模块的论证 4 2 理论分析与计算 4 2 1 风扇控制电路 4 2 2 角度测量原理 5 2 3 控制算法 5 3 电路与程序设计 6 3 1 总体原理图 6 3 2 风扇控制电路设计 6 3 3 控制算法与实现 7 3 4 程序流程图 11 4 测试方案与测试结果 7 4 1 测试方案 8 4 2 测试条件与仪器 9 4 3 测试结果及分析 10 5 设计总结 10 6 整体测试 10 附录 1 电路整体图 11 附录 2 显示效
8、果图 11 参考文献 12 1 系统方案 按照题目的基本要求 设计并制作一个帆板控制系统 控制风扇的转速 使帆板发生角度偏移并用液晶实时显示测量角度 并且可以通过按键设定帆板 要达到的角度 帆板控制系统图如图 1 所示 AVR Atmega128 单片机 按键控制 液晶显示 角度传感器 直流电风扇 图 1 帆板控制系统图 本系统主要由电动机驱动模块 高精度角度传感器检测模块 单片机按键 LCD 显示模块 风扇模块和电源模块组成 1 1 电机驱动模块 电动机驱动模块可以采用 L293 和专用电机驱动芯片 L298N 通过单片机控 制输出不同占空比的 PWM 信号驱动电机驱动芯片控制风扇的转速 使
9、帆板产 生不同的角度偏移并用 LCD 液晶实时显示 由于 L293 在实际测量中刚工作发 热量太大 不利于电路的稳定性和可靠性 L298N 最大工作电压可以达到 3A 持续工作电压为 2A 完全满足实际需要 因此选择 L298N 作为电动机驱动芯片 1 2 角度测量模块 角度测量采用高精度角度传感器 WDD35D4 通过 AVR ATmega128 单片 机其自带的 A D 转换 将采样到的电压信号进行数字滤波算法分析 转换输出 帆板偏转的角度 1 3 单片机按键 显示模块 通过按键用来控制和设定帆板所要达到的角度 由于设计所要显示的数 据太多如果用数码管显示便会占用太多的 I O 口 因此本
10、设计采用 液晶 实时显示 1 4 风扇制作模块 风扇机械模块采用采用铝合金材料制成支架 热缩管将帆板固定粘接在 转轴上 其转轴上固定的帆板由纸板裁剪而成 角度传感器安装固定在支架上 并将角度传感器装置的与转轴同轴 1 5 电源模块 由于直流风扇电机功率为 28 8W 因此需要大功率变压器输出足够大的 电流 2 4A 左右 因此采用 DC DC 降压芯片 LM2596 5 输出 5V 驱动 L298N 芯片 采用 LM2596 ADJ 调节输出大于等于 12V 小于 16V 的电压给直流风扇电 机供电 2 理论分析与计算 2 1 风扇控制电路 风扇电动机电路采用 L298N 芯片控制 该芯片是专
11、用的电机驱动芯片 其内部含有 H 桥的高电压 大电流全桥驱动器 可以用来驱动直流电机和步进 电机 采用标准逻辑电平控制 具有两个使能控制端 在不受输入信号影响下 允许或禁止器件有一个逻辑电源输入端 使内部逻辑电路部分在低电压下工作 芯片最大工作电流 2 5A 额定功率 25W 图 2 是电机驱动原理图 5 104 C 5100UF C 2 GND 12 IN1 5 IN2 7 IN3 10 IN4 12 EN A 6 EN B 11 GND 8 VC C 9 VS 4 OUT1 2 OUT2 3 OUT3 13 OUT4 14 IS EN A 1 IS EN B 15 U2 动动动动L298N
12、 D1 GND 1 2 P4 GND GND 12 GND 1 2 3 P3 Header 3 5 100UF C 3 104 C 6 D2 D3D4 1 2 3 P1 3H 图 2 风扇控制电路原理图 电路需要两路电源输入 芯片电源和电机电源 PWM 信号通过 P1 的 1 2 端口输入 通过单片机控制 P1 的第三端 使能端 PW 信号控制 芯片输出两路信号控制电动机的转动 图中二极管主要起到续流作 用 采用一般整流二极管 1N4007 同时我们又在电机的电枢两端并联一个瓷片 电容 以稳定电机的电压不致对单片机造成干扰 实际效果不错 省掉 了通过光耦隔离 实现单片机输出信号与电机驱动隔离的
13、环节 与 L298N 具有 相同功能的 L293 芯片也可以驱动电动机 但是 L293 的工作电流与 L298N 比较 较小 输出功率也不如 L298N 并且发热量太大 经过实际应用验证 L298N 电 机驱动该方案可靠 可行 2 2 角度测量原理 角度测量采用高精度角度传感器 WDD35D4 实时检测 此传感器根据电位 器原理设计 其具有机械寿命长 分辨率高 转动顺滑 动态噪声小的性能并 且该传感器不需要外围电路 使用方便 实际角度测量原理 帆板偏转的角度 通过传感器 WDD35D4 转换输出电压信号 该电压信号通过 AVR Atmega128 单片机内部 A D 采样 编程转换对应角度值并
14、用液晶显示 实际测量中测量角 度值与实际角度值的绝对误差稳定在 3 C 完全满足题目要求的 5 C 经 过实际验证 该传感器应用简单方案可行 图 3 为角度传感器示意图 WDD35D4 角度传感器 帆板 转轴 12V风扇 图 3 角度传感器示意图 2 3 角度控制算法 角度控制算法采用数字滤波算法 引入数据处理算法后 使许多原来靠硬 件电路难以实现的信号处理问题得以解决 从而克服和弥补了包括传感器在内 的各个测量环节中硬件本省的缺陷和弱点 引入数字滤波算法有以下作用 克 服随机误差 消除系统误差 当角度传感器旋转时 采用数字滤波算法来克服 低频振动现象 其原理是由单片机的 A D 端口对角度值
15、多次采样 去除最大值 和最小值 然后对剩余的值取平均值 即可得到比较稳定的角度值 在实际编 程过程中采用了数字滤波算法 由单片机的 A D 端口对角度值分五组反复采样 25 次 每一组去除最高值 最低值 然后取平均值 将五组的平均值中除去最 大值和最小值 再次求平均值 得到的便是稳定的角度值 经过实际编程和相 应的电路测试该算法得到了实现 用传感器测得的角度值与实际测量角度相差 小于等于 3 C 完全符合题目实际要求 事实证明此方法切实可行 3 电路与程序设计 3 1 由于在设计系统时采用的是 AVR Atmega128 最小系统板所以只需要外扩 按键和显示电路即可 图 3 是按键和显示总体电
16、路图 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 P1 Header 16 GND VC C R 1 10K GND R S LC DEN P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 VC C 10 R 2 R es2GND 1 2 3 4 5 6 7 8 P4 Header 8 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 1 2 P2 Header 2 VC C GND 0 1uF C 2 C ap 10uF C 1 C ap Pol1 1 2 P3 Header 2 R S LC DEN S 1 S 2 S 3 S 4 S 1 S W PB S 2 S W PB S 3 S W PB S 4 S W PB 10K R 3 R es2 10K R 4 R es2 10K R 5 R es2 10K R 6 R es2 S 2S 3S 4S 1 GND VC C 1K R 11 R es2 D1 LED0 D2 LED1 1K R 9 R es2 LED LS 1 B uzzer Q1 2N3906 VC C 1
