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1、 帆板控制系统（F题）摘要：根据题目的基本要求和提高部分的具体要求，我们以STC15A60S2单片机为核心部件，4*4键盘和128*64液晶显示用来实现人机人机交互功能，其中通过键盘将需要设置的参数和状态输入到单片机中，并且通过控制器显示到显示器上。在运行过程中控制器产生PWM脉冲送到风扇驱动电路中，经过放大后控制转速，同时利用角度测量检测模块将当前角度反馈到控制器中，控制器经过数字PID运算后改变PWM脉冲的占空比，实现对角度测量的目的，测量结果精度高，达到速度快。关键词： 键盘控制 PWM PID 精度高 速度快 目 录一、方案设计与论证1.1控制模块.31.2风扇电机驱动模块.31.3显
2、示模块.31.4角度检测模块.41.5电源模块.4二、系统理论分析与计算.42.1风扇控制电路的基本分析.52.2角度测量原理.6三、电路与程序设计.7 3.1电路设计.7 3.1.1 系统的总框图. 8 3.1.2 最小单片机系统设定.83.1.3 风扇电机驱动电路设计.93.1.4 键盘电路设计.10 3.1.5 显示电路设计.8 3.1.6 电源设计.8 3.2程序设计.9 3.2.1 基本思路.9 3.2.2 PID算法.9 3.2.3 PID在单片机中运用的实现.11 3.2.4 程序流程图.11 3.2.4.1主程序流程图.11 3.2.4.2 PWM产生流程图.12四、系统测试方
3、案与测试结果.134.1测试方案.134.1.1硬件测试.144.1.1.1风扇电机驱动电路测试.144.1.2软件仿真测试.144.1.3硬件软件联调.144.2测试条件与仪器.14 4.2.1测试条件.14 4.2.2测试仪器. 14 4.3测试结果与分析.15 五、参考文献.16附总电路原理图.17一、方案设计与论证经初步分析设计要求，得出总体电路由以下几部分组成：控制模块，风扇电机驱动模块，显示与键盘模块，角度检测模块。以下就电路模块给出设计方案。1.1控制模块方案一：采用STC15A60S2单片机进行控制。本设计需要使用的软件资源比较简单，只需要完全数控部分，键盘输入以及显示输出功能
4、，采用STC15A60S2进行控制比较简单且价格便宜,性价比高。方案二：采用MSP430F149单片机进行控制。MSP430F149单片机资源更丰富，但使用复杂一些且价格贵。经综合考虑和分析，本设计采用方案一更实用一些。1.2风扇驱动模块方案一：采用继电器驱动电动机，通过开关的切换对的电动机的速度进行调整。此方案电路简单，但继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命短、可靠性低。方案二：采用集成有桥式电路的电动机专用驱动芯片，如L298、LMD18200，电路硬件简单，性能可靠，但成本较高。方案三：采用电阻网络调整电动机的分压，从而达到调速的要求，但是电阻网络只能实现有限级的调速，且一般电动机的
5、电阻很小，所以需要较小的电阻进行分压,导致分压电阻上功率消耗非常大,降低效率，而且也难以实现。方案四：采用场管IRF540来驱动电动机，IRF540具有大电流低导通电阻的N沟道场效应管。经综合考虑和分析，本设计选择方案四，更符合本次设计。1.3显示模块的选择方案 方案一：采用LED数码显示，由于要求显示设定值和测量值，需要显示的值比较多，整个显示资源比较多，整个显示界面显得不太友好。方案二：采用LCD液晶显示器显示，采用128*64点阵LCD液晶显示，可视面积大，效果好，抗干扰能力强，调用方便简单，而且节省了软件中断资源。其缺点在于显示从容需要存储字模信息需要一定存储空间。经综合考虑和分析，本
6、设计选择方案二。1.4角度测量模块方案一：采用增量式旋转编码器，用增量式旋转编码器测量角度，测量很精确，产生的误差相当小。方案二： 采用电位器，利用对电位器按钮的旋转电阻，但是电位器对于角度的测量都有很大的偏差。经综合考虑和分析，本设计选择方案一。5电源的选择方案一：采用单一电源。这样供电电路比较简单，但是由于电动机启动瞬间电流较大，而PWM驱动的电动机电流波动很大，会造成电压不稳。方案二：采用集成稳压器7805和7812芯片。7805和7812是将调整管、取样放大、基准电压、启动和保护电路等全部集成在一块半导体上形成的一种稳压集成块，集成稳压器功能全、性能好、体积小、重量轻、应用灵活，工作可
7、靠，而且安装调试简单。经综合考虑和分析，本设计选择方案方案二。二、系统理论分析与计算2.1风扇控制电路的基本分析2.1.1 PWM 控制基本原理在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。例如图2.1中a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，其中图2.1的a为矩形脉冲，图2.1的b为三角脉冲，图2.1的c为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一环节上时
8、，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为如图2.1的d所示的单位脉冲函数时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。 图2.1 形状不同而冲量相同的脉冲过渡函数图2.1a的电路是一个具体的例子。图中为窄脉冲，其形状和面积分别如图2.1的a、b、c、d所示，为电路的输入。该输入加在可以看成惯性环节的R-L电路上，设其电流为电路的输出。图2.1b给出了不同窄波时的响应波形。从波形可以看出，在的上升段，脉冲形状不同时的形状也略有不同，但其下降段几乎完全相同。脉冲越窄，各波形的差异也越小。如果周期性的施加上述脉冲，则响应也是周期性的。用傅立叶级数分解后将可看出，各在低频段的特性非常接近，仅在高频段有所不同2。
9、图 2.11 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形2.1.2直流风扇的 PWM控制根据PWM控制的基本原理可知，一段时间内加在惯性负载两端的PWM脉冲与相等时间内冲量相等的直流电加在负载上的电压等效，那么如果在短时间T内脉冲宽度为,幅值为U，由图1.6可求得此时间内脉冲的等效直流电压为： 图2.2 PWM脉冲，若令，即为占空比，则上式可化为： (U为脉冲幅值) 若PWM脉冲为如图1.7所示周期性矩形脉冲，那么与此脉冲等效的直流电压的计算方法与上述相同，即 （为矩形脉冲占空比） 图2.3 周期性PWM矩形脉冲由式2.3可知，要改变等效直流电压的大小，可以通过改变脉冲幅值U和占空比来实现，因为在实际系统
10、设计中脉冲幅值一般是恒定的，所以通常通过控制占空比的大小实现等效直流电压在0U之间任意调节，从而达到利用PWM控制技术实现对直流电机转速进行调节的目的。2.角度测量原理增量旋转是一种将旋转位移转换为一连串数字脉冲信号的旋转式传感器。这些脉冲用来控制角位移。在编码器中角位移的转换采用了光电扫描原理。读数系统以由交替的透光窗口和不透光窗口构成的径向分度盘（码盘）的旋转为依据，同时被一个红外光源垂直照射，光把码盘的图像投射到接收器表面上。接收器覆盖着一层衍射光栅，它具有和码盘相同的窗口宽度。接收器的工作是感受光盘转动所产生的变化，然后将光变化转换成相应的电变化。再使低电平信号上升到较高电平，并产生没有任何干 的方形脉冲，这就必须用电子电路来处理。读数系统通常采用差分方式，即将两个波形一样但相位差为180的不同信号进行比较，以便提高输出信号的质量和稳定性。读数是再两个信号的差别基础上形成的，从而消除了干扰。增量编码器给出两相方波，它们的相位差90，通常称为A通道和B通道。其中一个通道给出与转速相关的信息，与此同时，通过两个通道信号进行顺序对比，得到旋转方向的信息。
