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1、帆板控制系统 摘 要：设计并制作了帆板控制系统，完成了风扇转速、风力大小及帆板转角的控制。帆板控制系统主要由硬件和软件两部分组成。硬件部分，搭建了控制装置平台，以 C8051F020 单片机作为控制核心，使用 L298N 搭建了风扇转速控制电路，利用ADXL345 模块完成了转角检测，利用 HD7279A 键盘管理芯片及 12864 液晶模块完成了人机交互，使用 WT588D-16P 语音模块实现了语音提示功能。软件部分，设计了基于 I2C 的角度传输程序，基于 PID 算法的 PWM 调速的程序，基于 SPI 的键盘检测程序，液晶显示及其菜单程序，语音单线串口控制程序。测试结果表明，系统在手
2、动状态下能较好完成规定动作，在自动状态下能在规定时间内，顺利完成转角控制，分辨力小于为 2，绝对误差5。关键词：C8051F020 PWM PID 角度传感器1目 录1 总体设计 .21.1 设计要求 .21.2 方案论证与比较 .21.3 系统组成 .52 软件设计 .112.1 转角传感器的数据处理及计算 .112.2 PWM 产生 .122.3 PID 运算 .132.4 液晶显示驱动的程序设计 .142.5 系统总体流程图 .143 系统测试 .153.1 测试使用的仪器 .153.2 指标测试和测试结果 .153.2.1 基本要求部分测试 .153.2.2 发挥 部分测试 .164.
3、 结束语 .17参考文献： .18附 录: .19帆板控制系统设计1 总体设计1.1 设计要求（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（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，通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角 稳定在 455范围内。控制过程在 10 秒内完成实时显示 ，并由声光提示。（4）当间距 d=10cm 时，通过键盘设定帆板转角，其范围为 060。 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。（5）间距 d
4、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。1.2 方案论证与比较帆板控制系统设计中的核心是帆板转角的测量以及风扇电机的转速控制，关键部分是单片机性能、键盘输入及显示部分。为了使系统功能更完善，可以增加语音提示及其超声测距功能。1、转角测量的设计方案方案一：霍尼韦尔 HMC5883L 是一种表面贴装的高集成三轴磁阻传感器模块，应用了各向异性磁阻(AMR)技术，带有数字接口的弱磁传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。罗盘精度控制在 12的 12 位模数转换器，带有简易的 I2C 系列总线接口。
5、方案二：ADXL345 数字加速度计。ADXL345 是一款小而薄的超低功耗 3 轴加速度计，分辨率高(13 位) ， 其高分辨率(3.9mg/LSB)，能够测量不到 1.0的倾斜角度变化测。既能测量运动或冲击导致的动态加速度，也能测量静止加速度，例如重力加速度，使得器件可作为倾斜传感器使用，带有简易的 I2C 系列总线接口。方案三：在帆板底部固定一支激光笔，底板上固定一排（大于 30 个）接收管（60度，分辨力 2） ，预先测量出帆板转轴与底板距离。帆板每转过一个角度，激光照射到某个接收管，根据接收管的地址编号可以根据已有数据得到 x 长度，从而计算出转角大小。例如照射到 x1 处和 x2
6、处的接收管时，角度分别是 、，其中，示意图如图 1.1 所示。1cotyxar3图 1.1 激光笔转角示意图综上所述，方案一中，HMC5883L 其磁阻传感器在磁场存在的情况下，随着磁场在感应方向上不断增强，电压也会正向增长，适宜在水平面上测量转角；方案三中，采用激光接收装置检测角度，接收管需要多个且分辨力较低，误差较大；方案二中，ADXL345 模块分辨力较高，其 I2C 串行接口适宜和控制器连接，故采用 ADXL345 作为转角检测传感器。2、微控制器的选择方案一：采用传统的 8051 单片机作为控制器，8051 单片机具有价格低廉、使用简单等特点，但是其存储容量、定时器资源较少，运算速度
7、较低。方案二：是用宏晶 STC 单片机，系列产品较多，具有与 MCS-51 内核及指令集完全兼容的微控制器，定时器、串口等资源丰富，但一般没有专用的在线仿真器，增加了程序调试难度。方案三：采用新华龙 C8051F020 作为控制器，具有与 MCS-51 内核及指令集完全兼容的微控制器，片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。56 个 I/O 引脚，内部带有 4K 字节内部数据 RAM， Flash 存储器达 64K字节，带有 5 个定时器，多个 PWM 控制器，采用流水线指令结构提高了运算速度。可以在线进行仿真调试。综上所述，从设备运行速度、片内资源、仿真调试性能
8、等方面比较，本设计选择方案三使用 C8051F 单片机为整个系统控制的核心。3、风扇的选择方案一：风扇选用台式计算机散热风扇，供电电源 DC12V，转速较高，但风压较小；方案二：直流供电轴流风扇，转速高，风压大，但出风口面积较小，使得帆板波 xyx1 x2y14动性较大；方案三：选用额定电流 1.05A，尺寸较大的工控机专用直流风扇，出风面积大，低转速性能较好。通过测试比较三种方案，选择第三种方案。4、电机驱动模块的选择方案一： 采用大功率三极管控制，电路简单稳定性强。但是大功率三极管的压降很大，风扇电机较难达到额定转速。方案二：采用继电器控制，使用继电器控制直流电机的通断实现转速或转角控制，
9、开关频率较低，控制不灵敏；方案三：采用 L298 驱动直流电机。L298N 是一种高电压、大电流电机驱动芯片。内含两个 H 桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作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； 可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路，其输入控制信号频率可达 40kHz，输出电流可达 2.5A。该芯片可以驱动一台两相步进电机，也可以驱动两台直流电机。 比较这三个方案，设计中了选择方案三，以 L298 芯片为基础搭建了电机驱动电路
10、。5、调速的设计方案论证与选择针对 L298 芯片的特性，适宜采用 PWM 调速。PWM 常用于中小功率系统，它采用脉冲宽度调制技术，其工作原理是：通过改变“连接脉冲”的宽度，使直流电机电枢上的电压的“占空比”改变，从而改变电枢电压的平均值，控制电机的转速，具有高的定位速度和精度；低速性能好稳速精度高，调速范围宽，抗干扰能力强等特点。6、键盘模块的设计方案论证与选择方案一：矩阵式键盘。矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，由行线和列线组成，按键位于行列的交叉点上。矩阵键盘工作原理：行线通过上拉电阻接到+5V 上。无按键，行线处于高电平状态，有键按下，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。列线电平为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平为高。矩阵式键盘工作时通常采用查询方式，增加了 MCU 的负担。方案二：独立式按键。独立式按键是各按键相互独立，每个按键单独占用一根 I/O5口线，每根 I/O 口线的按键工作状态不会影响其他 I/O 口线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态
