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1、帆板控制系统目 录1.系统方案41.1主控制器的选择41.2电源模块的选择51.3 角度信号采集模块的选择51.4 A/D转换模块的选择61.5驱动模块的选择61.6显示模块的选择62系统理论分析与计算73硬件电路设计73.1系统硬件的基本组成73.2：硬件电路模块设计83.2.1 主控制电路设计83.2.2 驱动模块电路设计93.2.3采集模块电路设计93.2.4显示模块电路设计103.2.5电源模块电路设计114.软件设计114.1程序的设计114.2.1程序功能描述与设计思路114.2.2 程序流程图125测试方案与测试结果135.1测试方案135.2 测试条件与仪器135.3 测试结果
2、及分析135.3.1测试结果135.3.2测试分析与结论15摘 要该系统为一个帆板控制系统，通过对风扇转速的控制，调节风力大小改变帆板角度。为了满足帆板控制系统的设计要求，进行了各单元模块的比较论证及确定，本系统以宏晶科技的STC12C5A60S2单片机作为系统的核心控制芯片，选用HQ7101模拟三轴加速度传感器模块来测量帆板转动的角度，灵敏度高，满足对角度的准确测量。对于关键的电机驱动电路，经过充分的比较与论证，最终选用驱动模块L298N，通过单片机输出PWM脉冲，更好地实现了电机的调速；并且加入PID控制，实现了控制角度的优化。系统显示部分采用12864液晶显示，串行接口，编程容易，并且现
3、实的信息量大。关键词：STC12C5A60S2、HQ7101、PID控制、PWM脉冲、L298N1.系统方案本系统主要由主控制模块、驱动模块、采集模块、显示模块、电源模块组成，系统框图见图F-1所示。 图F-1 系统总框图该系统的工作原理是：通过调节装置（单片机）控制电机驱动芯片L298N,控制电机带动风扇的转动（通过调节PWM调节电机的转速），使帆板与竖直平面达到到一定的夹角，通过角度传感器不断测量帆板的转角（即实际转角），该实际转角与给定转角作比较，形成转角偏差，通过直流电机控制风扇的转速，通过PID控制不断修正该转角偏差，最终使转角保持在给定范围之内。1.1主控制器的选择方案一：采用FP
4、GA作为系统的控制器。FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统控制核心。但由于本设计对数据处理的速度要求不高，同时由于芯片的引脚较多，电路板布线复杂，加大了电路设计和实际焊接的工作量。方案二：采用AT89C51系列的单片机作为主控制器51系列芯片目前使用范围最广，价格便宜，但速度较慢，数据量大时速度难以满足要求。而且其功能单一，需要仿真器来实现软硬件调试，较为烦琐。方案三：采用STC12C5A60S2位控制芯片STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，
5、指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍，而且体积小、性能高，适合用于高速测量。综合以上三种方案，选择方案三。1.2电源模块的选择方案一：所有器件采用单一电源(5节五号电池)。供电较简单，但由于电动机启动瞬间电流很大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰，严重时可能会造成单片机系统掉电，且容易没电，使之不能完成题目的要求。方案二：使用交流电220v供电，搭建独立电源模块，经变压器变压后，再用7812、7805芯片进行稳压。5V电源为单片机及其他传感器、显示屏等模块供电。使用220v交流电不仅能保证电量充足，而且相对于干电池有恒定的电压和电流。综合以上两种方案，故拟采用方案二。1.3 角度信号采
6、集模块的选择方案一：使用无触点磁敏电位器自制重锤角度传感器。该角度传感器安装在帆板上，当帆板处在非平衡状态时，帆板的倾斜角度反映在重锤的转角上，再通过AD转换将角度信号采集到处理器中进行相关的处理。但在本设计中要使帆板达到一定的角度就要克服传感器的重量，而这样会大大的增加帆板的负重，影响设计效果。方案二：采用HQ7101模拟三轴加速度模块。此传感器功耗电流降低至200 A，比同类器件的功耗典型值低50%，测量动态范围是3g，具有10000g 额定耐冲压强度,具有良好的 0g偏压稳定性和良好的灵敏度，且该传感器灵敏度高、体积小、质量轻且易操作，所以该传感器能很好的测量帆板转动角度， 根据本题的要
7、求，选择第二种方案。1.4 A/D转换模块的选择方案一：TLC1543美国TI司生产的多通道10位模数转换器。采用串行通信接口，具有输入通道多、性价比高、易于和单片机接口的特点，可广泛应用于各种数据采集系统 ,但其AD转换精度不能满足该系统对帆板角度的准确测量。方案二：AD7715是美国ADI公司生产的16位模数转换器，采用单一5V或3V电源供电,可用最少数量的口线与单片机或微处理器相接,适用于单通道低速小信号采样的应用场合。在该系统中，它以16位的串行方式直接传送给微控制器或微处理器，适合在系统测量中的应用。根据本设计的要求，我们最终选用了方案二。1.5驱动模块的选择方案一：采用大功率三极管
8、，二极管，电阻电容等元件。用上述元件搭建两个H桥，通过对各路信号放大来驱动电机，原理简单。但由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，很难精确控制。方案二：采用L298N驱动芯片。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，其输出的PWM 脉冲控制直流电机，能够对电机转速的上升与下降进行平滑调节，保证调节过程中本身对风扇的影响最低，且电路简单、易用、稳定，具有较高的性价比。综上所述，我们决定采用方案二。1.6显示模块的选择 方案一：用LED 显示，优点亮度高、成本低，易于单片机编
9、程，但是显示时占用I/O口多，信息量不足。方案二：采用LCD_12864 液晶显示，功耗低、无辐射显示稳定、抗干扰能力强，编程控制简单，使用方便，显示信息能力强等特点。考虑到本设计的要求，我们选择方案二。2系统理论分析与计算根据题目设计要求，控制风扇风力的大小，使帆板能在0到60度范围内变化。首先，我们通过按键控制单片机输出的PWM信号控制电机转速的快慢来控制风扇风力的大小；另外，我们还使用了PID调节来控制电机的转速，PID计算公式如下所示： 通过加速度传感器检测帆板的角度，经AD转换电路转换为数字量变化，从而也可以通过调节PWM来调节电机的转速，所以只要帆板能在0到60度范围内变化，并且能
10、够控制电机的转速使帆板保持在一定的角度。3硬件电路设计3.1系统硬件的基本组成 控制器按键传感器电 机驱动电路显 示本系统主要由主控制模块、驱动模块、采集模块、显示模块、电源模块组成其结构框图如图F-2所示，几个模块之间相互独立且存在联系，实现状态的上传和控制命令的下发。 图F-2 系统控制框图3.2硬件电路模块设计3.2.1 主控制电路设计 主控制电路主要有单片机，独立按键等部分组成，通过控制主控电路来控制系统的正常运行，从而实现题目的要求。其结构框图和电路图分别如图F-2，F-4所示。 控制器按键电机驱动电路 图F-3 主控电路框图图F-4 主控电路电路图 3.2.2 驱动模块电路设计 驱
11、动模块采用L298N驱动芯片。利用12V电源供电，通过单片机的I/O口提供输入信号，其输出的PWM 脉冲控制直流电机，能够对电机转速的启动与停止进行调节，其电路原理图如图F-5所示。 图F-5 驱动模块电路原理图3.2.3采集模块电路设计采集模块电路分别有传感器模块和转换模块组成，传感器模块利用HQ7101三轴加速度传感器实现信息的采集，转换模块使用AD7715芯片实现模数转换功能，当加速度传感器检测到有效信号时，便将信号传输给AD7715进行转换运算，AD7715再将转换后的信号传输给单片机从而实现角度的测量，其硬件电路图如图F-6所示。图F-6 采集模块电路原理图3.2.4显示模块电路设计
12、 显示模块利用ST7920的12864液晶显示，液晶通过串行工作方式与单片机I/O口连接，当显示数据时，液晶能很好的显示出所要的效果，其电路原理图如F-7所示。 图F-7 显示模块电路原理图3.2.5电源模块电路设计 电源模块由变压部分、滤波部分、稳压部分组成，使用交流电220v供电，搭建独立电源模块，经变压器变压后，再用7812、7805芯片进行稳压。12V电源为电机供电，5V电源为单片机及其他传感器、显示屏等模块供电。其电路原理图如图F-8所示。 图F-8 电源模块电路原理图4.软件设计4.1程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和液晶的显示。1）键盘
13、实现功能：首先，键盘我们选择4个独立按键，通过调节按键来控制电机的转速从而控制风速的大小、风扇的启动与停止以及设定范围内角度的调节。2）显示部分：在液晶上显示帆板转动的实时角度，并且显示程序设定的角度和设定的状态。 2、程序设计思路通过按键控制单片机输出PWM脉冲，经驱动电路L298N带动电机的转动与电机的控制，从而控制帆板的旋转的角度，经AD转换芯片将传感器输出的模拟信号量转换成数字信号量，送回到单片机中，与实际角度相比较后，经PID调节输出PWM的脉宽，来控制电机的转速达到调解帆板角度的目的。4.2 程序流程图1.主程序流程图5测试方案与测试结果5.1测试方案1、硬件测试根据题目设计要求，
14、本系统共由单片机最小系统、电源模块、驱动模块、显示模块、信息采集模块组成，将焊接好的模块按照系统框图进行连接，检查电路是否都通电，编写各模块子程序进行各模块硬件的检测。2、软件仿真测试将编写好的程序通过串口数据线下载到单片机上，将单片机最小系统与按键、液晶、驱动电路、传感器、电机一一进行连接进行软件的仿真调试，经过多次调试可以在电机空转的情况下达到电机调速和传感器模块对角度的测量与角度的DIP反馈的调试。3、硬件软件联调将程序下载到单片机后，将各模块电路与风扇电机进行连接，并且将传感器放在帆板的右上角，通过控制按键来控制电机的启停和转速大小，刚开始在调速过程中风扇的风力无法使帆板达到预定的角度，经过再三的实验，在风扇与帆板之间加上一个自制的风洞，使风力更加集中，从而达到了题目的要求。5.2 测试条件与仪器测试条件：见过多次检查，仿真电路和硬件电路与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路无虚焊。测试仪器：量角器、高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字万用表，指针式万用表。5.3 测试结果及分析5.3.1测试结果1.基本要求的测试结果：（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。测试结果如表5-1所示 表5-1 帆板角度
