帆板控制系统设计报告.docx
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帆板控制系统设计报告
2011年全国大学生电子设计竞赛
帆板控制系统报告书(F题)
【1组】
指导老师:
XXXXXXX
成员:
XXX
XXX
XXX
2011年9月2日
摘要
系统采用微机控制,在设计中,采用了STC89C52单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分,配以角度测量模块,数码管显示,驱动模块,实现对帆板角度的控制、测量和显示;由命令输入模块,及H型驱动模块组成的风扇控制电路对风力进行控制,进而达到帆板角度的控制。
采用带中断的独立式键盘作为命令的输入,单片机在程序的控制下,不断给驱动模块发送PWM波形,以完成电机的转速的控制。
在设计中,采用PWM调速方式,通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压,进而实现对电动机的调速。
设计的整个控制系统,在硬件结构上采用了大量的集成电路模块,大大的简化了硬件电路,提高了系统的稳定性和可靠性,使整个系统的性能得到提高。
关键词:
角度,PWM,控制帆板
Systemcontrolledbycomputer,indesign,theSTC89C52singlechipmicrocomputerasthewholecontrolsystemofthecorepartofcontrolcircuit,matchwithAnglemeasurementmodules,digitalpipedisplaydrivermodule,torealizethepanelsAngle,thecontrolofmeasurementanddisplay;Bythecommandinputmodule,andtheHdrivermodule'sfancontrolcircuitofwindturbinecontrol,andthenreachthepanelsoftheAnglecontrol.Theinterruptionofindependenttypewithkeyboardasacommandinput,microcontrollerunderthecontroloftheprogram,andconstantlytodrivermodulestosendthePWMtocompletethemotorspeedcontrol.Inthedesign,thespeed,bychangingthewayPWMPWMaccountedforemptytochangethemotorthanarmaturevoltage,andachievethespeedofmotor.Thedesignofthecontrolsysteminthehardwarestructure,usealotofintegratedcircuitmodule,greatlysimplifiedthehardwarecircuitandimprovethestabilityandreliabilityofthesystem,thesystemoftheperformanceimproved.
目录
一、系统方案1
1.角度检测模块的论证与选择1
2.显示模块的论证与选择3
3.风扇驱动模块的论证与选择1
二、系统理论分析与计算5
1.风扇控制电路的分析6
2.角度测量原理分析8
2.1角度测量释意8
2.2绝对型编码器(旋转型)角度测量原理分析与计算9
三、电路与程序设计10
1.电路的设计10
1.1系统总体框图10
1.2角度检测模块原理与电路图10
1.3STC89C52单片机模块原理与电路图11
1.4数码管显示模块原理与电路图12
1.5风扇驱动模块原理与电路图12
1.6电源12
2.程序的设计12
2.1程序功能描述与设计思路12
2.2程序流程图12
四、测试方案与测试结果13
1.测试方案13
2.测试条件与仪器13
3.测试结果及分析13
3.1测试结果(数据)13
3.2测试分析与结论14
附录1:
电路原理图15
附录2:
源程序16
帆板控制系统(F题)
【1组】
一、系统方案
本系统主要由角度检测模块,STC89C52单片机数据处理、控制模块,角度值显示模块,电机驱动模块组成。
下面分别论证这几个模块的选择。
1.角度检测模块的论证与选择
方案一:
采用电位器式角度传感器,若把它作为分压器使用,且假定加在电位器A、B之间的电压为Umax,则输出电压为
图2.2所示为电位器式角度传感器。
作变阻器使用,则电阻与角度的关系为
作为分压器使用,则有
图1.1.1电位器式角度传感器原理图
本方案中电位器式角度传感器作分压器使用,电位器A、B接电源,C接A/D转换器,由于帆板角度的变化而引起C点的电压变化,经A/D转换器转换出的数字信号输入到STC89C52单片机数据处理、控制系统。
方案二:
采用绝对型编码器(旋转型)角度传感器,Angtron-RE-38系列智能旋转编码器是工业自动化中最常用的测量部件之一,普遍应用在电动机和各种自动化设备的轴角位置(绝对位置)和旋转速度测量。
坚固的金属外壳与完全密封的内部结构,为您提供最高级别防护(IP68)的同时,还拥有高级别的EMC防护能力。
Angtron编码器提供多种工业标准的信号输出,除了常用的电压信号(如0-5V)外,还可以选择4-20mA(0-20mA)电流环、增量型脉冲输出、RS232绝对型输出、符合ModBus标准的RS485绝对型输出、应用SSI高速串行协议的绝对型输出、应用CanOpen协议的CAN绝对型输出。
Angtron-RE-38-V编码器标准外径为38mm,标准轴径为6mm,最高可提供14位/周分辨率,及13位/周准确度。
同时还提供定制测量范围以充分发挥客户端AD效能。
表1.1.1旋转编码器式角度传感器电气参数
从表1.1.1中可知,绝对型编码器(旋转型)共有三种供电电压,因本设计中处理、控制电路采用5V供电,故本设计中角度传感器采用5V供电,绝对型编码器(旋转型)输出信号接A/D转换器,由于帆板角度的变化而产生的电压经A/D转换器转换出的数字信号输入到STC89C52单片机数据处理、控制系统。
图1.1.2绝对型编码器(旋转型)式角度传感器结构图
综合以上两种方案,选择方案二。
2.显示模块的论证与选择
方案一:
采用1602液晶来显示角度值。
1602液晶的使用方法如下:
(1)1602LCD主要技术参数
显示容量为16×2个字符;芯片工作电压为4.5~5.5V;
工作电流为2.0mA(5.0V);模块最佳工作电压为5.0V;
字符尺寸为2.95×4.35(W×H)mm。
(2)接口,信号说明1602LCD采用标准的14引脚(无背光)或16引脚(带背光)接口,各引脚接口说明见表
表1.2.11602液晶接口引脚定义
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DateI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
DateI/O
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
DateI/O
4
RS
数据/命令选择端(V/L)
12
D5
DateI/O
5
R/W
读/写选择端(H/L)
13
D6
DateI/O
6
E
使能信号
14
D7
DateI/O
7
D0
DateI/O
15
BLA
背光源正极
8
D1
DateI/O
16
BLK
背光源负极
1)2组电源一组是模块的电源一组是背光板的电源均为5V供电。
2)VL是调节对比度的引脚调节此脚上的电压可以改变黑白对比度
3)RS是很多液晶上都有的引脚是命令/数据选择引脚该脚电平为高时表示将进行数据操作;为低时表示进行命令操作。
4)RW也是很多液晶上都有的引脚是读写选择端该脚电平为高是表示要对液晶进行读操作;为低时表示要进行写操作。
5)E同样很多液晶模块有此引脚通常在总线上信号稳定后给一正脉冲通知把数据读走,在此脚为高电平的时候总线不允许变化。
6)D0—D78位双向并行总线,用来传送命令和数据。
7)BLA是背光源正极,BLK是背光源负极。
对1602液晶操作主要有以下几种方法。
1)写命令(包括但不限于初始化、调节显示位置、清除显示)
2)写数据(把一个字符的ASC码写入液晶使其显示)
3)读忙信号(液晶乃低速设备,每次操作前应该测试忙信号,确定其不忙时再操作
1602液晶上电的时候需要初始化典型的指令码是38H,也就是上电的时候需要调用voidwrite_cmd(unsignedcharcommand)这个函数写指令码,用法是write_cmd(0x38);执行完这个函数可把液晶初始化成16x2显示5x7的点阵8位总线接口。
方案二:
采用七段数码管来显示角度值。
7段数码管一般由8个发光二极管组成,其中由7个细长的发光二极管组成数字显示,另外一个圆形的发光二极管显示小数点。
当发光二极管导通时,相应的一个点或一个笔画发光。
控制相应的二极管导通,就能显示出各种字符,尽管显示的字符形状有些失真,能显示的数符数量也有限,但其控制简单,使有也方便。
发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极数码管,阴极连在一起的称为共阴极数码管,如图1.2.1
图1.2.17段数码管内部结构图
(1)静态显示
所谓静态显示,就是当显示某一字符时,相应段的发光二极管恒定地工作。
这种显示方法为每一们都需要有一个8位输出口控制。
静态显示器的优点是显示稳定,在发光二极管导通电注一定的情况下显示器的亮度高,控制系统在运行过程中,仅仅在需要更新显示内容时,CPU才执行一次显示更新子程序,这样大大节省了CPU的时间,提高了CPU的工作效率;缺点是位数较多时,所需I/O口太多,硬件开销太大,因此常采用另外一种显示方式——动态显示。
(2)动态显示
所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器(扫描),对于显示器的每一位而言,每隔一段时间点亮一次。
虽然在同一时刻只有一位显示器在工作(点亮),但利用人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余辉效应,看到的却是多个字符“同时”显示。
由于本设计要求实现实时显示帆板角度值,需要用到四个数码管,静态显示无法实现其功能,而动态显示节省硬件资源,成本较低,且易于实现,电路也较简单,所以本设计采用动态显示。
综合以上两种方案,选择方案二。
3.风扇驱动模块的论证与选择
方案一:
采用D/A和运算放大器组成电机驱动电路,将输入的直流信号作为高速DA的基准电压,通过调节D/A的输入数据来实现控制衰减。
理论上讲,只要DA的速度够快,精度足够高就可以实现很宽范围的精密增益调节。
经D/A转换出的电流信号再通过运算放大器放大并转换成电压信号,但是目前的乘法型DA速度低,难以满足要求,且利用运算放大器将电流信号转换成电压信号过程可能出现较大的误差和干扰。
方案二:
利用L298组成PWM调制电路,将控制电路输出的PWM调制信号输入到H桥芯片L298,通过控制输入信号的频率和脉宽,可以对电机的转向进行控制。
电机的转动速度由PWM脉冲的频率决定。
频率高则速度快,即电机加速,频率降低则是电机转动速度减慢。
即电机减速。
综合考虑采用方案二。
二、系统理论分析与计算
1.风扇控制电路的分析
PWM脉冲调制方式是一种开关驱动方式,是直流电机最重要也是最常见的驱动方式。
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及在具有惯性环节上时,其效果基本相同,这正是PWM控制技术的理论基础。
PWM驱动方式易与处理器接口,使用简单,最常见的就是H桥电路。
集成H桥芯片很很多型号,我们使用的是L298芯片
图2.1.1L298引脚图表2.1.1L298引脚符号及功能
驱动电路是H桥电路,图3.4为H桥驱动电路的工作原理图。
同一侧的晶体管不能同时导通。
当SW1和SW4导通,当SW2和S3截止时,电路由正电流经SW1,从电机的正极流入电机,电机反向运转。
当SW1和SW3或者SW2和SW4同时导通的时候,电机处于制动状态,电路中二极管注意是起续流保护作用。
由于电机具有较大的感性,电流不能
突变,若忽然将电流切断将在功率管两端产生巨大的电压,损坏器件。
图2.1.2H桥驱动电流原理图
我们采用的是模块是H桥芯片L298,图3.5所示是L298的内部原理图
图2.1.3L298内部原理图
L298需要2个电压,一个为逻辑电路工作时所需要的5V电压VCC,另一个为功率电路所需的驱动电压VSS。
驱动电路的输入可直接与单片机的引脚相连,我们来分析原理,使能端输入使能。
控制输入端A端输入PWM信号,控制输入端B端输入PWM的反相信号,在一个PWM周期里,电机的电枢承受双极性的电压,电机的速度和方向均由PWM决定。
PWM占空比为50%时,对应的电机的转速为0即电机停止转动,占空比为0%-50%的时候电机的转速时-MAX-0,即电机反转;占空比为50%-100%对应的电机的转速为0-+MAX即电机正转。
电机的转动速度由PWM脉冲的频率决定。
频率高则速度快,即电机加速,频率降低则是电机转动速度减慢。
即电机减速。
使能端输入PWM信号控制输入端A端和控制输入B端输入控制电机状态的信号,电机状态参见表3.2
表2.1.2直流电机的PWM调速方案
2角度测量原理分析
2.1角度测量释意
测定水平角或竖直角的工作。
水平角是一点到两个目标的方向线垂直投影在水平面上所成的夹角。
竖直角是一点到目标的方向线和一特定方向之间在同一竖直面内的夹角。
通常以水平方向或天顶方向作为特定方向。
水平方向和目标间的夹角称为高度角。
天顶方向和目标方向间的夹角称为天顶距。
角度的度量常用60分制和弧度制。
60分制即一周为360°、1°为60′、1′为60″。
弧度制采用圆周角的2π分之一为1弧度。
1弧度约等于57°17′45″。
此外,军事上常用密位作量角的单位。
为使1密位所对的弧长约略等于半径的1/1000,取圆周角的1/6000为1密位。
角度测量主要使用经纬仪。
测角时安置经纬仪,使仪器中心与测站标志中心在同一铅垂线上,利用照准部上的水准器整平仪器后,进行水平角或竖直角观测。
方向观测法
观测两个方向之间的水平夹角采用测回法,对3个以上的方向采取方向观测法或全组合测角法。
测回法即用盘左(竖直度盘位于望远镜左侧)、盘右(竖直度盘位于望远镜右侧)两个位置进行观测。
用盘左观测时,分别照准左、右目标得到两个读数,两数之差为上半测回角值。
为了消除部分仪器误差,倒转望远镜再用盘右观测,得到下半测回角值。
取上、下两个半测回角值的平均值为一测回的角值。
按精度要求可观测若干测回,取其平均值为最终的观测角值。
方向观测法是当有3个以上方向时,在上、下各半测回中依次对各方向进行观测,以求得各方向值,上、下两个半测回合为一测回,这种方法称为全圆测回法。
按精度需要测若干测回,可得各方向观测值的平均值,所需角度值由相应方向值相减即得。
全组合测角法
全组合测角法,每次取两个方向组成单角,将所有可能组成的单角分别采取测回法进行观测。
各测站的测回数与方向数的乘积应近似地等于一常数。
由于每次只观测两个方向间的单角,可以克服各目标成像不能同时清晰稳定的困难,缩短一测回的观测时间,减少外界条件的影响,易于获得高精度的测角成果。
适用于高精度三角测量。
观测竖直角以望远镜十字丝的水平丝分别按盘左和盘右照准目标,读取竖直度盘读数为一测回。
如测站上有几个观测目标,先在盘左依次观测各目标,再在盘右依相反顺序进行观测。
读数前,须使竖盘指标水准气泡严格居中。
2.2绝对型编码器(旋转型)角度测量原理分析与计算
(1)角度测量原理分析
绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线,每道刻线依次以2线、4线、8线、16线……编排,这样,在编码器的每一个位置,通过读取每道刻线的通、暗,获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码(格雷码),这就称为n位绝对编码器。
这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的,它不受停电、干扰的影响。
绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的,它无需记忆,无需找参考点,而且不用一直计数这样,编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。
旋转单圈绝对值编码器,以转动中测量光电码盘各道刻线,以获取唯一的编码,当转动超过360度时,编码又回到原点,这样就不符合绝对编码唯一的原则,这样的编码只能用于旋转范围360度以内的测量,称为单圈绝对值编码器。
如果要测量旋转超过360度范围,就要用到多圈绝对值编码器
编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理,当中心码盘旋转时,通过齿轮传动另一组码盘(或多组齿轮,多组码盘),在单圈编码的基础上再增加圈数的编码,以扩大编码器的测量范围,这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器,它同样是由机械位置确定编码,每个位置编码唯一不重复,而无需记忆。
多圈编码器另一个优点是由于测量范围大,实际使用往往富裕较多,这样在安装时不必要费劲找零点,将某一中间位置作为起始点就可以了,而大大简化了安装调试难度。
(2)角度测量计算
在本设计中,采用Angtron-RE-38单圈绝对值编码器和8位A/D0804转换器,编码器供电电压采用5V电压,输出形式为电压信号输出:
0.5V~4.5V,
对应的角度值为:
0~360度,
那么单位度数对应的电压值为:
1度→
(V),
8位A/D0804采用2V电压作为参考电压,那么2V对应的编码为255,即:
0—2V→0—255,。
在本设计中角度传感器的起始电压采用1V,那么0—60度对应的电压值为:
1~(
)V
我们设编码为X,显示的度数为Y,那么有:
在X度时的编码为:
三、电路与程序设计
1电路的设计
1.1系统总体框图
图3.1.1系统总体框图
1.2角度检测模块原理与电路图
本设计中电路工作电压采用5V供电,绝对型编码器(旋转型)输出的电压信号接A/D转换器,由于帆板角度的变化而产生的电压变化经A/D转换器转换出变化的数字信号输入到STC89C52单片机数据处理、控制系统。
(1)角度检测模块框图
图3.1.2角度检测模块框图
(2)角度检测模块电路图
图3.1.3角度检测模块电路图
1.3STC89C52单片机模块原理与电路图
本设计中由于采用了A/D转换电路,所以单片机系统的输入信号从P1口输入数字信号,再经内部软件进行算、处理并输出控制信号,同时六个独立按键对风力、角度进行调节和设置,最后送至P0口输出进行显示。
1、STC89C52单片机模块框图
外部时钟电路
图3.1.4STC89C52单片机模块框图
2、STC89C52单片机模块电路图
图3.1.5STC89C52单片机模块电路图
1.4数码管显示模块原理与电路图
由于要求实现实时显示帆板角度值,需要用到四个数码管,静态显示无法实现其功能,而动态显示节省硬件资源,成本较低,且易于实现,电路也较简单,所以本设计采用动态显示,用单片机的P0口向锁存器传送段选数据和位选数据,利用P2^1控制段选数据锁存器,P2^0控制位选数据数据锁存器。
以实现四个7段数码管显示器实时显示帆板角度值。
(1)数码管显示模块框图
图3.1.4数码管显示模块框图
(2)数码管显示模块电路图
图3.1.5数码管显示模块电路图
1.5风扇驱动模块原理与电路图
风扇驱动模块的核心是H桥芯片L298,L298工作需要2个电压,一个为逻辑电路工作时所需要的5V电压VCC,另一个为功率电路所需的驱动电压VSS。
驱动电路的输入可直接与单片机的引脚相连,电机的速度和方向均由PWM决定。
另外,由于电机具有较大的感性,电流不能突变,若忽然将电流切断将在功率管两端产生巨大的电压,损坏器件。
我们应用二极管来续流,利用二极管的单向导通性。
二极管的选用必须要根据PWM的频率和电机的电流来决定。
二极管要有足够迅速的恢复时间和足够的电流承受能力。
(1)、风扇驱动模块框图
图3.1.6风扇驱动框图
(2)风扇驱动模块电路图
图3.1.7风扇驱动电路图
1.6电源
电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。
为整个系统提供5V-18V电压,确保电路的正常稳定工作。
这部分电路比较简单,都采用三端稳压管实现,故不作详述。
2程序的设计
2.1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显示。
1)键盘实现功能FF1A设置频率值、频段、电压值以及设置输出信号类型。
2)显示部分:
显示电压值、频段、步进值、信号类型、频率。
(2)程序设计思路
2.2程序流程图
(1)主程序流程图
(2)XXX子程序流程图
(3)XXX子程序流程图
(4)XXX子程序流程图
四、测试方案与测试结果
1测试方案
(1)软件仿真测试
软件仿真测试以proteus为测试软件,用5K精密电位器或者电压源模拟角度传感器,以不同不同的电压信号输入检测模块。
(2)硬件软件联调
本设计测试以整个系统为测试对象,测试分三个步骤:
步骤一:
将风扇停止,使帆板处于自然垂直状态,然后用手转动帆板,记录下显示器显示的角度值。
步骤二:
将帆板与风扇的垂直间距调整为d=10cm,通过操作键盘控制风力大小,使帆板转角θ能够在0~60°范围内变化。
记录下显示器显示的角度值。
步骤三:
将帆板与风扇的垂直间距调整为d=10cm,通过操作键盘控制风力大小,使帆板转角θ稳定在45°±5°范围内。
记录下显示器显示的角度值、完成调整的时间、有无声光提示。
步骤四:
将帆板与风扇的垂直间距调整为d=10cm,通过键盘设定帆板转角,其范围为0~60°。
记录下完成时间、显示器显示的角度及误差。
步骤五:
将帆板与风扇的垂直间距d在7~15cm范围内任意调整,通过键盘设定帆板转角,范围为0~60°。
记录下完成时间、显示器显示的角度及误差。
2测试条件与仪器
(1)测试条件:
检查多次,仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同,并且检查无误,硬件电路保证无虚焊。
(2)测试仪器:
高精度的数字毫伏表,秒表、数字万用表,量角器,45度尺子,60度尺子。
4.3测试结果及分析
3测试结果(数据)
2V档信号测试结果好下表所示:
(单位/V)
信号值
0.2050
0.2100
0.2045
0.4026
1.007
1.542
1.669
1.999
显示
0.2051
0.2100
0.2044
0.4026
1.006
1.542
1.669
1.999
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