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全国大学生电子设计竞赛论文
2011年全国大学生电子设计竞赛
帆板控制系统(F题)
【高职高专组】
2011年09月03日
帆板控制系统
摘要
本帆板控制系统是以STC89C52单片机为核心,应用PWM技术、旋转角度传感器角度传感器和AD转换技术实现了帆板控制系统的设计。
系统应用PWM脉冲宽度调制方式实现对风扇风速的多级调整;不同风速下系统通过风扇吹动帆板,控制帆板转角从0~60°任意变化,同时帆板的角度由旋转角度传感器检测,通过AD转换后在LCD-1602上显示。
系统不仅可以通过键盘调整风速使帆板达到合适的角度,而且可以通过风扇转速的自动调节,控制帆板精确转动,使帆板的角度与输入的角度一致。
经实验调试,帆板控制系统的设计较好地满足了任务要求。
关键词:
STC单片机、PWM调速、旋转角度传感器、AD转换
帆板控制系统
摘要
本帆板控制系统是以STC89C52单片机为核心,应用PWM技术、旋转角度传感器角度传感器和AD转换技术实现了帆板控制系统的设计。
系统应用PWM脉冲宽度调制方式实现对风扇风速的多级调整;不同风速下系统通过风扇吹动帆板,控制帆板转角从0~60°任意变化,同时帆板的角度由旋转角度传感器检测,通过AD转换后在LCD-1602上显示。
系统不仅可以通过键盘调整风速使帆板达到合适的角度,而且可以通过风扇转速的自动调节,控制帆板精确转动,使帆板的角度与输入的角度一致。
经实验调试,帆板控制系统的设计较好地满足了任务要求。
关键词:
STC单片机、PWM调速、旋转角度传感器、AD转换
一、系统方案、
1、主控制模块的论证与选择:
方案一:
采用FPGA或CPLD作为系统的控制器。
优点:
可以实现复杂逻辑功能,规模大,速度快,密度高,体积小,稳定性高,容易实现仿真、调试和功能扩展。
缺点:
成本高,引脚多,PCB布线复杂。
本设计对数据的处理要求不高,此方案的优势得不到充分体现。
方案二:
采用51单片机作为系统的控制器。
优点:
算术运算功能强,软件编程灵活,自由度大,技术成熟,体积小,成本低,容易实现仿真、调试和功能扩展,并而51MCU的运用比较熟练。
缺点:
速度相对较低。
方案三:
采用AVR单片机作为系统的控制器。
优点:
AVR的ATMEGA16L芯片内部带有AD转换以及PWM电机高速功能,能够方便地解决整个系统的问题,是个很好的控制方案,但本设计取决于对相关技术的熟悉程度。
所以选择方案二。
2、电机控制模块的论证与选择:
方案一:
采用继电器对电动机的开或关进行控制。
通过控制开关的切换速度实现对
小车的速度进行调整。
此方案电路简单,但继电器易损坏、寿命短,可靠性不高。
方案二:
采用由分离元件达林顿管组成的H型桥式PWM电路驱动电机。
这种电路由于管子交替工作在饱和与截止的模式下,因此效率非常高。
H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制;电子开关的速度很快,稳定性也极强。
方案三:
采用单片集成电路L298构成PWM电机驱动电路。
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,电路简单、易用、稳定,具有较高的性价比。
综合以上三种方案,选择方案三。
3、角度传感器模块的论证与选择:
方案一:
通过单圈精密可调电阻转换成角度的变化。
单圈精密可调电阻通过A/D转换后,由模拟信号转换成数字信号,通过转换变成角度的变化显示在液晶屏上。
通过实
验可以发觉由于可调电阻的转轴比较紧,偏转的角度不明显,造成测试的结果不理想,与要达到的要求不符合,所以方案二舍弃。
方案二:
数字加速度传感器。
MMA7455数字加速度传感器是一款数字输出(I2C/SPI)、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度计,具有信号调理、低通滤波器、温度补偿、自测、可配置通过中断引脚检测、以及脉冲检测(用于快速运动检测)等功能。
但是由于其成本高,控制比较复杂和麻烦,根据团队的实际,决定不采用这个方案。
方案三:
模拟旋转角度传感器检测角度的偏转。
模拟旋转角度传感器是基于可调电位计工作原理所设计,其不仅可以做为可调电阻控制电机转速,还可以在其旋转头部安装单摆轮,测量倾角,旋转角度从0到270度,其而且体积小的特点,便于安装;转轴比较滑,这样便能够准确地带动帆板的转动使其偏转一定的角度。
所以选择方案三。
4、显示模块的论证与选择:
方案一:
使用LCD-1602显示屏。
优点:
功耗小,显示数字与阿拉伯字母等字符。
缺点:
编程难度较高。
方案二:
使用LCD-12864显示屏。
优点:
带有汉字、图形、多种显示形式。
缺点:
编程难度较高,价格昂贵。
方案三:
使用LED数码管。
优点:
编程难度低。
缺点:
功耗较大,电路连接相对较复杂。
在低功耗下,显示界面友好、内容丰富,综合考虑,选用LCD-1602来实现显示功能下,选择了方案一。
二、电路与程序设计
2.1电路的设计
2.1.1系统总体框图:
图1-1系统的主控制框图
说明:
控制模块是以STC89C52为核心部件,ADC0832通过采集模拟旋转角度传感器返回的信号转换成数字量,通过角度的换算显示在LCD-1602显示屏上。
键盘能够选择工作模式和功能的实现。
当某一项功能实现的时候,并附有声光提示。
2.1.2电机驱动电路:
图1-2电机控制电路
电机控制电路如图1-3所示。
采用单片集成电路L298构成PWM电机驱动电路。
L298的IN1引脚和ENA引脚与单片机IO口连接,L298的OU1引脚和OUT2引脚与电机两端相连。
采用PWM调速的方法对电机进行控制,单片机IO口输出PWM信号到L298的IN1引脚,通过对PWM信号占空比的变化调节电机的转动速度,同时单片机控制L298的ENA引脚,使能L298的OUT1和OUT2引脚的输出,从而启动或停止电机工作。
2.1.3角度检测电路:
角度检测电路如图1-4所示。
图1-4中,P20为模拟旋转角度传感器,传感器能根据检测到的角度变化输出与检测角度成正比的模拟电压,检测角度的范围为0O~270O,模拟电压的范围为0~5V。
模拟电压由传感器OUT引脚输出,通过ADC0832的CH0端送入ADC0832中。
ADC0832对模拟电压进行AD转换,再把转换后的数字量通过DO端送进单片机。
图1-3角度检测电路
AD电路用于转换旋转角度传感器输出的模拟信号,变成数字量输入到单片机,通过角度传化计算,显示在LCD-1602上。
2.1.5矩阵键盘电路:
图1-4矩阵键盘电路
矩阵键盘电路如图1-6所示。
利用矩阵键盘可控制风扇风速,输入帆板角度,系统工作模式的设定值。
2.2程序的设计
主程序流程图:
说明:
该程序流程图程序设有模式选择功能,根据模式的选择,键盘的输入与PMW的控制,实现所要的功能。
三、测试方案
3.1测试方案
3.1.1、硬件调试:
说明:
根据该流程图,依次检测单片机模块、电机控制模块、键盘模块等的检测,
经检测存在小小的问题,但经过耐心的检测与讨论,最终解决了问题的所在。
3.1.2、软件调试:
在功能控制模拟控制系统中,控制器最常用的控制规律是PID控制。
常规的模拟PID控制系统原理框图如图所示。
图1-7模拟PID控制系统原理图
该系统由模拟PID控制器和被控对象组成。
图中,r(t)是给定值,y(t)是系统的实际输出值,给定值与实际输出值构成控制偏差e(t)。
公式:
e(t)=r(t)−y(t)(式1-1)
e(t)作为PID控制的输入,u(t)作为PID控制器的输出和被控对象的输入。
通过上述的PID算法,可以很好的控制电机的转速。
四、测试结果
4.1测试仪器
测试仪器:
模拟电压表、角度尺、直尺、秒表
4.2测试结果及分析
4.2.1基本要求的测试结果(数据):
基本要求
(1):
手动帆板测量的转角如表4—1所示:
实际值
5O
10O
15O
20O
25O
30O
35O
40O
45O
50O
55O
60O
测量值
6O
12O
17O
19O
27O
30O
33O
42O
44O
52O
54O
62O
绝对误差
+1O
+2O
+2O
-1O
+2O
-1O
-2O
+2O
-1O
+2O
-1O
+2O
根据表4—1所测试的数据,很好的达到了系统的要求。
基本要求(3):
帆板转角稳定在40~50°范围的测试如表4—2所示:
实验次数
1
2
3
4
5
角度范围
43~47O
43~47O
44~48O
43~47O
43~48O
所需时间
4s
5s
6s
5s
7s
根据表4—2所测试的数据与角度显示。
在这个测量中,都很好的在10秒内,到达题目的要求。
4.2.2发挥部分的测试结果(数据):
发挥部分
(1):
当间距d=10cm时,键盘设定帆板角度的测试如表3—3所示:
设定值
5°
15°
25°
35°
45°
55°
角度范围
4~10°
12~18°
19~28°
32~38°
42~49°
51~59°
所需时间
4s
3s
3s
2s
3s
4s
对于这部分的测试,基本达到了功能的要求,达到了最大误差不超过5度。
发挥部分
(2):
当间距d=7cm时,键盘设定帆板角度的测试如表4—4所示:
设定值
5°
15°
25°
35°
45°
55°
角度范围
6~11°
10~22°
22~32°
32~40°
41~52°
51~60°
所需时间
4s
3s
2s
3s
4s
4s
当间距d=9cm时,键盘设定帆板角度的测试如表4—5所示:
设定值
5°
15°
25°
35°
45°
55°
角度范围
5~11°
10~20°
22~28°
27~39°
41~53°
52~60°
所需时间
4s
4s
3s
3s
5s
5s
当间距d=12cm时,键盘设定帆板角度的测试如表4—6所示:
设定值
5°
15°
25°
35°
45°
55°
角度范围
4~11°
10~19°
23~28°
27~40°
41~50°
53~60°
所需时间
4s
3s
4s
5s
5s
6s
当间距d=15cm时,键盘设定帆板角度的测试如表4—7所示:
设定值
5°
15°
25°
35°
45°
55°
角度范围
2~9°
8~12°
19~28°
27~40°
41~52°
51~60°
所需时间
4s
3s
5s
4s
6s
7s
对于上述所测试的数据结果,要功能达到所需的要求还有点点的距离。
五、设计总结
本系统采用STC89C52单片机为控制核心,通过键盘控制直流电机风扇的风速,系统通过风扇吹动帆板,控制帆板转角从0~60o任意变化,同时帆板的角度由模拟旋转角度传感器检测,通过ADC0832转换并在LCD1602上显示。
经过多次的整体软硬件结合调试,不断地对系统进行优化。
液晶屏上能显示单片机的工作状态和其他功能的实现。
作品的成功完成,经过了太多的挫折和苦难,这也让我们明白到团队的精神是多么的重要。
从设计到完成一件作品,真的要投入很多的心思和精力。
六、参考文献:
1):
谢维成、杨加国主编,单片机原理与应用及C51程序设计清华大学出版社2009年出版
2):
高吉祥主编,模拟电子线路设计电子工业出版社,2007年出版
3):
张玉莲主编,传感器与自动检测技术机械工业出板社
4):
黄智伟.全国大学生电子设计竞赛制作实训[M].北京:
北京航天航空出版社,2007.
附录1:
系统原理图
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- 关 键 词:
- 全国大学生 电子设计 竞赛 论文