智能抗风广告牌的设计本科毕业设计论文.docx
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智能抗风广告牌的设计本科毕业设计论文.docx
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智能抗风广告牌的设计本科毕业设计论文
本科生毕业论文(设计)
题目:
智能抗风广告牌的设计
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名:
日 期:
指导教师签名:
日 期:
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:
按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名:
日 期:
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
注意事项
1.设计(论文)的内容包括:
1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)
2)原创性声明
3)中文摘要(300字左右)、关键词
4)外文摘要、关键词
5)目次页(附件不统一编入)
6)论文主体部分:
引言(或绪论)、正文、结论
7)参考文献
8)致谢
9)附录(对论文支持必要时)
2.论文字数要求:
理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括:
任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。
4.文字、图表要求:
1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写
2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画
3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印
4)图表应绘制于无格子的页面上
5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档
5.装订顺序
1)设计(论文)
2)附件:
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
智能抗风广告牌的设计
作者:
吴剑指导老师:
盖志武教授
(海南师范大学物理与电子工程学院,海口,571158)
摘要:
本次设计做的是基于单片机控制的智能抗风广告牌。
该广告牌主要由JL-FS2风速传感器,MK60DN512ZVLQ10单片机核心板,E18-D80NK漫反射式红外光电开关,BTN7971B电机驱动模块,电源模块,370减速直流电机,广告牌框架等组成。
当风速传感器检查到有广告牌承受不住的认为设置的风速时,把此信号传给单片机,由单片机处理后启动电机,收起广告牌。
当红外开关1检测到广告牌已收完时,把此信号传给单片机,经单片机处理后,控制电机使其停止。
当风速传感器检测到强风已过后,把此信号传给单片机处理,单片机控制电机驱动,启动电机,展开广告牌,当红外开关2检测到广告牌已展开完,把此信号传给中央处理器,经过处理后控制电机停止。
经调查,现今很多广告牌遇到强风,损失惨重。
经试验,本广告牌可以很好地实现广告牌的收放,减少了很多的损失与浪费。
关键字:
智能;抗风;广告牌;MK60;风速传感器
Thedesignofintelligentwindbillboards
Author:
WuJianTutor:
professorGaiZhiWu
(PhysicsandElectronicsEngineeringInstitute,HainanNormalUniversity,Haikou,571158)
Abstract:
Thedesigninmypaperisaintelligentwind-resistedbillboardbasedonthesinglechipprocessormicrocomputer.Thebillboardisconsistofmanyparts,suchasJL-FS2windspeedsensor,MK60DN512ZVLQ10MCUcoreboard,E18-D80NKinfrareddiffusereflectionswitch,BTN7971Bmotordrivemodule,powermodule,370directcurrentslowdownmotor,billboardframework,andsoon.Thedesignprincipleiswhenthewindspeedsensorinductthewindspeedistoomuchstrongerthanaartificialsetting,thissignalpassthroughthesinglechip.Afterprocessingbysingle-chipmicrocomputer,themotorstartoperating,andthenthebillboardwouldbefolded.Astheinfraredswitch1receivethesignalthatthebillboardhasfoldedcompletelyandtransmitittosinglechip.themotorstopworkingafterdateprocessing.Withthesameprinciple,whenwindspeedsensorinductthegalehaspassedaway,thesignalwillalsopassthroughthesinglechipmicrocomputerwhichcontrolthemotordriver.Bydoingthisthebillboardwillexpandwiththemotorbeginoperate.Astheinfraredswitch2receivethesignalthatthebillboardhasexpanded
completelyandtransmitittosinglechip.themotorstopworkingafterdealingwithdate.Accordingtoasurvey,theresuffergreatlossesonbillboardwhenmeetpowerfulwind.Afterrepeattesting,mybillboardcutdownsomethingunnecessarylosswiththefunctionoffoldingfreely.
Keywords:
intelligent;Wind-resisted;Billboard;MK60;windspeedsensor
1.引言
广告牌的发展经历了一个悠久的过程。
从最开始的一根竹竿上绑一块布插在自家店铺门前到后来的木框式广告牌再到钢结构广告牌,然后是现在普遍使用的LED数字广告牌,人类一直在努力探索广告牌的最佳形式,因为随着商业时代的发展,人们深知广告对商品推广的重要性。
虽然广告行业已经步入网络数字时代,但户外广告牌仍有着不可或缺的重要性。
我们在高速公路、工业园区的出入口处,郊外的空地上,随处可见高高耸立的广告牌。
目前市场上多采用传统钢式框架户外广告牌,其优点是打出的广告能迅速进入人们的眼帘,达到推广商品的目的。
但其缺点也显而易见。
首先,传统钢式户外广告牌笨重而庞大,需要很多钢材,还要占用大量土地,严重影响城市景观;其次,广告牌的维修更换很困难,高空作业非常危险,许多广告牌建好以后就任其存亡;最后,此种广告牌的抗风能力很差。
在台风多发的季节或地区,很难抵御强风,报纸上经常报道广告牌倒塌事故。
因为它的结构坚硬且庞大,遇强风后倒塌砸伤砸死路人和损坏房屋的现象比比皆是。
因此,传统钢式户外广告牌已经满足不了人们的需求。
于是,有人提出了一种采用电网供电的抗强风广告牌。
其原理是将广告牌的板面分割成几个展板,每个展板由电机控制。
当强台风来袭时,由气象台将信息传输到广告牌上的信息接收处理装置,调整各子展板的迎风方向角,尽可能减小广告牌迎风面积。
这种抗强风广告牌,相对于传统钢式广告牌来说,优点在于能抵抗一定程度的大风。
但是它采用电网供电需要消耗大量电能,分割成几块展板整体显示效果差,另外当风级很大且风向不稳定时,子展板的迎风方向角也是不确定的,所以同样不能从根本上满足户外广告牌低成本高抗风性的要求。
目前还有一种百叶窗式抗强风广告牌。
其原理是采用风速传感器测定风速,自身判断风力从而带动广告牌牌面的叶片做角度调整,实现风力荷载。
同样存在展板分割成几块整体显示效果差的问题,当风向不确定时牌面角度调整同样不稳定,而且因为把广告牌分成很多子块,增加了广告牌损坏的可能性,无法真正实现抗强风。
据此,本课题拟设计一种智能抗强风独立户外广告牌。
这种广告牌可以通过检测风速,当检测到有强风来临时,中控系统控制电机转动,收起广告牌,当检测到强风已过后,把信号传给中控系统,控制电机,把广告牌展开,以实现抗强风的功能。
广告牌的收放,则是把广告的一端卷在一根由电机带动的轴上,电机带动轴转动,把广告布卷起。
而广告的另一端则是放一定中量的轴,以此来增加广告布的重量,以使广告展开时更平整一些。
此广告牌不必借助于气象台传输数据,且因为实现的是广告牌的自动收放,最大程度的减少了受风面积,能够真正实现抗强风的目的,展板整体显示效果好。
可广泛应用于强风多发地区、海南及沿海台风多发地区,解决户外广告牌的安全问题。
2.硬件设计
2.1硬件整体方案设计
本次设计共有两大系统,一个是本次设计的控制系统,一个是广告牌的机械结构系统。
其中控制系统部分由电源模块、单片机最小系统模块、传感器模块、电机驱动模块、显示模块和按键模块等组成,如图2.1所示是本人设计的控制系统整体框图。
因为智能抗风广告牌的运行是需要系统电源模块、单片机最小系统等多个模块相互结合、按一定次序稳定工作才能让广告牌智能识别强风的来去及自动收放,以实现智能抗风的目的。
又由于每个模块都是不相同的,都有各自的特点,所以这几个模块都要有自己的方案。
在当今的生活中,到处都能看到电器产品,一个系统要运行,当然离不开电源,关于本系统所需电源,下文再做详细的介绍。
系统要实现广告牌的智能抗风,只能通过风速传感器把检测到的有强风的这一信号发送给中央处理器,由中央处理器对数据进行处理,以控制电机,才能实现智能收放广告牌。
而广告牌的收放是否到位,主要靠本系统的两个E18-D80NK红外避障传感器检测到的信号来确定。
本次设计的控制系统,以单片机MK60DN512ZVLQ10作为中央处理单元,是本次设计的信息处理中心,是核心部件之一。
BTN7971B电机驱动电路是单片机驱动电机的连接中点,只有通过BTN7971B芯片与单片机通讯,将单片机所给信号经过处理,才可以驱动电机运转,同时控制电机正反转也是由单片机发出信号控制的。
为了便于维修人员现场维护,本系统还设计了显示部分,使用的是OLED作为显示器。
而一个系统,再怎么智能,也需要人工控制的时候,所以本系统还设计了一个按键,以实现系统的手动和自动的切换。
因为控制系统模块多,所需电源也多,避免不了部分器件会发热,因此,本人还给系统加了一个散热扇,用于本给整个控制部分散热。
当然,本次设计要实现的是户外独立广告牌的智能抗风,所以广告牌的框架结构也是本次设计的核心部分的之一,它是系统的控制对象。
图2.1控制系统整体框图
2.2电源模块
在本次设计中,由于整个系统所需要供电的模块很多,再考虑到各个模块对于电源的需求量的标准不同,电压的轻微变化都会影响到模块处理的数据的精确度,因此,电源部分还得按每个模块对于电源的需求标准来做。
本此设计一共用了两个总电源,一个是本人利用变压器和LM317自制的由交流220V转成的+1.25V到+24V可调的直流稳压电源,本人购买的变压器是交流220V,50HZ输入,双9V交流输出。
为了增大调压范围,本人把双9V交流输出合并起来,变成18V交流输出,我所设计出的电源的电路原理图如图2.2_1所示。
另一个是本人之前购买的12V,1A交流电源。
图2.2_1LM317电压可调电路原理图
因为单片机需要的电源是+3.3V,液晶显示屏也是需要+3.3V供电,而电机驱动芯片BTS7970B需要+5V供电,且两个红外避障传感器也是需要+5V供电。
因此,本人用LM317所制成的电压可调电源,把电压调到+7.5V输出,然后用两片降压稳压芯片LM1117IMP做成两个+3.3V直流稳压电源,用三片降压稳压芯片LM2940CS做成三个+5V直流稳压电源,五个电源都是由+7.5V经过降压稳压后而得的,切都是并在一起的,如图2.2_2所示。
另外,+7.5V直流稳压电源还给整个系统的散热扇供电。
图2.2_2+3.3V、+5V直流稳压电源电路原理图
而自己买的成品电源12V,1A的交流电源,用于构成2个子电源,2个子电源均由整流桥整流,通过MC7812CT稳压,最后输出直流稳压+12V,如图2.2_3所示。
经过整流稳压后的两个+12V子电源,一个用于给风速传感器供电,另一个用于给电机驱动模块供电,作为电机的驱动电压。
图2.2_312V直流稳压电路原理图
2.3单片机最小系统模块
2.3.1单片机的选择
单片机是硬件系统的主要控制核心部件,是整个系统的信息处理中央也是信息储存部分,尤为重要。
单片机的选择不仅要根据实物设计的要求,而且要考虑实物的应用环境和一些其他因素。
选择单片机时要考虑单片机所能够完成的功能、价格、供电电压、功耗、I/O口电平、管脚数目以及它的封装等因素。
单片机的功耗可以从其电气性能参数中查到,根据单片机的供电电压模式来分,有5V、3.3V以及1.8V超低电压供电模式。
为了能合理分配单片机的I/O口资源,在单片机选型时可以绘制一张引脚分配表,供之后的设计使用。
经过几天的考虑、粗略的计算及资料查阅后,决定采用飞思卡尔智能车设计专用的kinetis系列单片机MK60DN512VLQ10作为本次设计的中央控制处理器,它是系统的控制核心。
这个单片机是最近市场上比较受欢迎的一款单片机,性能优越,功能强大,是最近几年才出品的32位单片机,采用ARMCortex-M4内核,且具有丰富的资源,工作稳定,兼容性高,执行效率高等特点,完全能满足本系统的控制要求。
2.3.2单片机最小系统
MK60系列单片机最小系统由MK60DN512VLQ10单片机、外部振荡电路、复位电路和+3.3V电源等组成。
在外部振荡电路中,单片机的EXTAL32和XTAL32管脚分别接至由32.768MHZ晶振和18PF电容构成的振荡电路两侧,为电路提供正常的时钟脉冲。
单片机最小系统中复位电路的作用是当程序出错、陷入崩溃、死循环等情况时,可使用复位键,重新启动。
单片机最小系统不仅是单片机可以正常工作的基本要求,也是保护单片机其他的电路系统的保障,这就是每次使用单片机都必须使用该最小系统的原因。
但由于MK60的封装引脚较细密,又受本地电子元器件等资源条件限制,且为了使系统能更加稳定工作,本人并没有自己做单片机最小系统,而是使用北京龙邱科技的MK60DN512ZVLQ10核心板,此核心板已带单片机最小系统,能够稳定运行,可以很方便的使用,如图2.3.2_1所示。
该核心板虽然可以正常运行,但是为了使次核心板能够更稳定更安全的正常运行,本人制作了此核心板的底座,使此板能够平稳的放置,且能够更方便的连接线路避免不慎短路,如图2.3.2_2所示。
图2.3.2_1MK60DN512ZVLQ10核心板
图2.3.2_2单片机最小系统核心板底座PCB图
2.4电机驱动系统
2.4.1BTN7971B电机驱动芯片
决定电机驱动芯片优劣的因素主要有两个:
一是输出电流,电流越大,驱动能力越强;另一个是内阻,内阻越大,发热越大,热损耗越大。
因此我们在选择驱动芯片时,可以综合各方面的需求来选择。
在本次设计中,结合了所用的电机,最后选择了BTN7971B作为本次设计系统的电机驱动芯片。
BTN7971B是电机驱动应用程序集成的大电流半桥。
BTN7971B提供了一个保护大电流PWM电机驱动器的成本优化解决方案,其具有占用非常小的电路板空间的优势。
BTN7971B与两路电源连接,分别为逻辑电源和动力电源,逻辑电源使用的是+5V,用于给芯片供电,能承受的动力电源在直流+5.5V到+45V之间,本系统使用+12V作为动力电源,给电机转动提供电源。
BTN7971B具有脉宽调制能力高达25kHz、开关电流限制过电流降低功耗、具有电流检测功能的状态标志诊断、过热关机锁存能力、输出过压锁定、欠压关闭、驱动电路逻辑电平输入和优化EMI可调摆率等特点。
对于本次设计,已足以满足要求。
BTN7971N一共有8只引脚,其封装如图2.4.1_1所示,各引脚功能如表2.4.1_1所示。
表2.4.1_1BTN7971B引脚及功能
引脚
符号
IN/OUT
功能
1
GND
-
接地
2
IN
IN
控制信号输入端
3
INH
IN
芯片电源
4、8
OUT
OUT
功率输出
5
SR
IN
使能端
6
IS
OUT
电流检测和故障诊断
7
VS
-
驱动电源引脚
图2.4.1_1BTN7971B
封装图
2.4.2HD74LS244三态缓冲器
HD74LS244芯片为三态输出的八组缓冲器和总线驱动器,其主要电气特性的典型值如表2.4.2_1所示(不同厂家具体值有所不同)。
HD74LS244芯片共有20只引脚,其每只引脚的属性如表2.4.2_2所示。
芯片都有一个共性,即芯片内部都是有一些门电路组成,74LS244也不列外,其内部逻辑图如图2.4.2_1所示,逻辑功能如表2.4.2_3所示。
每一块芯片都需要电源,同89C51系列单片机一样,74LS244使用的是+5V作为额定电源电压。
该芯片主要起到保护驱动芯片BTN7971B的作用。
表2.4.2_1244电气特性的典型值表
型号
tPLH
tphl
PD
54LS244/74LS244
12ns
12ns
110mW
表2.4.2_2SN74LS244引脚的属性
引出端符号
引脚属性
1A1~1A4,2A1~2A4
输入端
/1G,/2G
三态允许端(低电平有效)
1Y1~1Y4,2Y1
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