全国大学生电子竞赛-帆板控制系统（F题）设计论文初稿防灾科解读

防灾科技学院

指导教师:彭宏伟 组员:张云博、李孟霖、毕俊新 帆板控制系统(F题

摘要:本设计采用 S T C 89C 52单片机作为帆板控制系统的核心,整个系统由帆板控制器、 D C -D C 降压电路、液晶显示电路、键盘输入电路、直流风扇驱动电路、角度测量电路、声 光提示电路构成。角度传感器 M M A 7361L 将实时采集到的角度数据以模拟电压的形式传递给 模数转换器,经单片机处理后显示在 L C D 12864液晶屏上, 并可通过键盘设定风速和角度, 利用 P W M 对风扇进行调速,实现帆板的姿态调整,当达到设定要求时可进行声光提示,并 且加了入语音播报、风扇距离调节等人性化设计。该系统具有测量准确、控制灵活的优 点。

关键词:S T C 89C 52单片机,角度测量, P W M 直流电机调速, D C -D C 降压 目录

1. 系统方案选择和论证 ...................................................................................... 5 1. 1各模块方案选择和论证 ........................................................................... 5 1. 1. 1控制器方案 ................................................................................ 5 1. 1. 2电源方案 ................................................................................... 5 1. 1. 3风扇驱动方案 . ............................................................................ 6 1. 1. 4角度测量方案 . ............................................................................ 6 1. 1. 5数字显示方案 . ............................................................................ 7 1. 1. 6键盘模块设计方案 ...................................................................... 7

1. 2系统各模块的最终方案 ........................................................................... 8 2.系统的硬件设计与实现 ................................................................................... 8 2. 1系统硬件的基本组成部分 . ....................................................................... 8 2. 1. 1电源电路 ................................................................................... 9 2. 1. 2角度测量电

路 . ............................................................................ 9 2. 1. 3风扇控制电路 . .......................................................................... 10 2. 1. 4单片机外围电路 ....................................................................... 11

2. 1. 5声光提醒电路 . .......................................................................... 12

3. 软件设计与算法分析 .................................................................................... 13 3. 1P W M 电机调速算法 ................................................................................ 13 3. 2角度测量算法 ...................................................................................... 14 3. 3风扇控制算法分析与选择 . ..................................................................... 15

3. 4总体程序流程图 . .................................................................................. 16 4. 系统测试 . .................................................................................................... 18 4. 1测试仪器 . ............................................................................................ 18

4. 2测试数据与分析 . .................................................................................. 18 5. 结论与总结 ................................................................................................ 18 参考文献 . ......................................................................................................... 19附录 1主要元器件清单 . ................................................................................... 19附录 2总体电路图 .......................................................................................... 20

1. 系统方案选择和论证 1. 1各模块方案选择和论证 1. 1. 1控制器方案

根据题目要求,控制器主要用于对倾角传感器传回的数据进行处理,对于 控制器的选择有以下三种方案。

方案一:帆板控制系统采用传统的 S T C 89C 52单片机作为调节装置和风扇控 制的核心。S T C 89C 52单片机具有价格低廉, 使用简单和广泛性特点,并且运算 速度,功能都能满足中端产品开发,另外还可以扩展外围模块。使用 S T C 系列 单片机,该系列单片机是高集成单片机,功能和性能都要比 51系列强大很多, 而且内部集成了内置振荡器和复位,E E P R O M 、A D C 、P W M 、四态 I /O 接口。

方案二:帆板控制系统采用以 A R M 为系统控制器采用 32位 R I S C 微处理 器 A R M 实现调节装置和风扇控制功能的核心,能完成研究题目的要求,但是 A R M 不适合多线程操作,另外应用在系统中会使电路和软件设计变得复杂。

方案三:帆板控制系统采用 F P G A 作为系统控制器核心,因为 F P G A 可以直 接用硬件扫描、编码、解码、纠错,稳定性高、扩展性能好、体积小,可以提 供丰富的逻辑单元和 I /O 资源。具有很强的实时性和准确性。可以实现各种灵 活控制。因此特别适合复杂逻辑电路设计,但 F P G A 的成本偏高。

方案比较结果:

虽然 51单片机处理速度较低,相对于 F P G A 的性能,有一定的不足之处, 但 F P G A 与单片机相比,价格较高,显得大材小用,性价比偏低,而 51单片机 足以满足帆板控制系统的设计需要。

1. 1. 2电源方案

由于电路中各模块需要 18V ,5V ,3. 3V 三种电源进行供电,提出以下两种 方案。

方案一:采用电池组供电。 方案二:自行设计直流降压电路。

电池组难以满足要求,这里我们选择由直流稳压源直接提供风扇所需的 18V 电源,并通过三端稳压芯片 7805和 1117-3. 3实现降压并稳压的双重功 能。

1. 1. 3风扇驱动方案

本设计中使用的风扇为台式计算机的散热风扇,其内部为一个直流电动机 为了控制电机的转速,电机驱动模块是必不可少,其方案有一下两种。

方案一:采用大功率晶体管组合电路构成驱动电路,这种方法结构简单, 成本低、易实现,但由于在驱动电路中采用了大量的晶体管相互连接,使得电 路复杂、抗干扰能力差、可靠性下降,我们知道在实际的生产实践过程中可靠 性是一个非常重要的方面。因此,此中方案不宜采用。

方案二:采用专用的电机驱动芯片,例如 L 298N 、L 297N 等电机驱动芯片, 由于它内部已经考虑到了电路的抗干扰能力,安全、可靠行,所以我们在应用 时只需考虑到芯片的硬件连接、驱动能力等问题就可以了,所以此种方案 的电 路设计简单、抗干扰能力强、可靠性好。设计者不需要对硬件电路设计考虑很 多,可将重点放在算法实现和软件设计中,大大的提高了工作效率。

基于上述理论分析和实际情况,电机驱动模块选用方案二。 1. 1. 4角度测量方案

方案一:采用光电编码器。需在其轴上安装重锤才能进行倾角检测,且进 行小角度测量时需要克服较大的静摩擦力,灵敏度低。

方案二:使用高灵敏度电位器,将电位器的旋转轴固定在帆板的转轴上,当 帆板转动时电位器的转轴也随之转动,此时测量电位器的电压变化即可得到近 似线性的帆板角度变化。

方案三:采用模拟式三轴加速传感器 M M A 7361L 测量帆板转角变化,利用重 力加速度对加速度传感器的影响来测量物体的角度。最终经由 A D C 0804模数转 换器将 M M A 7361L 输出的模拟量角度转换为单片机可以处理的八位数字量,并进 行角度计算。

方案一安装复杂且测量精度不高,方案二虽说可以实现角度的测量,但必 须与帆板的转轴固定在一起,因此会对帆板的转动起到一定的阻碍,降低帆板 的灵活性,案二不但弥补了方案一的缺点,同时灵敏度和分辨率更高,因此选 择方案三。

1. 1. 5数字显示方案

在帆板控制系统中,系统需要对帆板转角、风速等级以及设定角度显示, 因此在整个系统中必须设计一个显示模块,考虑有三种方案:

方案一:使用七段数码管(LE D 显示。数码管具有亮度高、工作电压低、 功耗小、易于集成、驱动简单、耐冲击且性能稳定等特点,并且它可采用 B C D 编码显示数字,编程容易,硬件电路调试简单。但由于在此次设计中需要设定 的参数种类多,而且有些需要进行汉字和字符的显示,所以使用 L E D 显示器不 能完成设计任务,不宜采用。

方案二:采用 L C D 1602液晶显示器,该显示器控制方法简单,功率低、硬 件电路简单、可对字符进行显示,但考虑到 L C D 1602液晶显示器的屏幕小,不 能显示汉字,因此对于需要显示大量参数的系统来说不宜采用。

方案三:采用 L C D 12864液晶显示器,该显示器功率低,驱动方法和硬件连 接电路较上面两种方案复杂,显示屏幕大、可对汉字和字符进行显示。

根据本次设计的设计要求,显示模块选用方案三。 1. 1. 6键盘模块设计方案

在帆板控制系统中,系统需要按键进行参数的输入、工作方式的设定,因 此键盘在整个系统中是不可缺少的一部分,考虑有二种方案:

方案一:采用独立式键盘,这种键盘硬件连接和软件实现简单,并且各按 键相互独立,每个按键均有一端接地,另一端接到输入线上。按键的工作状态 不会影响其它按键上的输入状态。但是由于独立式键盘每个按键需要占用一根 输入口线,所以在

按键数量较多时,I /O 口浪费大,故此键盘只适用于按键较 少或操作速度较高的场合。

方案二:采用行列式键盘,这种键盘的特点是行线、列线分别接输入线、 输出线。按键设置在行、列线的交叉点上,利用这种矩阵结构只需 m 根行线和 n 根列线就可组成 m ×n个按键的键盘,因此矩阵式键盘适用于按键数量较多的 场合。但此种键盘的软件结构较为复杂。

根据上面两种方案的论述,由于本次设计的系统硬件只需要三个按键,, 所以采用方案一独立键盘进行设计。

1. 2 系统各模块的最终方案

经过仔细分析和论证,决定了系统各模块的最终方案如下: (1控制器方案:采用 S T C 89C 52单片机控制。 (2电源方案:三端稳压器 7805、1117-3. 3降压并稳压。 (3风扇驱动方案:采用 L 298N H 桥驱动电路。

(4角度测量方案:由 M M A 7361三轴加速度传感器和 A D C 0804构成角度测 量电路。

(5数字显示方案:采用 L C D 12864液晶显示 (6键盘模块设计方案:3个独立按键

此外,声光提示模块使用高亮度的 L E D 和蜂鸣器,语音模块使用 I S D 1820语音播报模块。

单片机 S T C 89C 52主要用于控制风扇调速、角度传感器数据处理并与用户进 行交互,实现了帆板角度计算、风力大小控制和帆板角度值设定并稳定角度、 最终进行声光提示、语音播报等功能。

2.系统的硬件设计与实现 2. 1 系统硬件的基本组成部分 系统基本组成框图如图一所示:

图一 帆板控制系统基本框图 2. 1. 1 电源电路

电路中的的风扇需要 18V 的直流电源,单片机、液晶显示屏、模数转换器 A D C 0804、语音模块需要 5V 供电,而角度传感器需要 3. 3V 供电,这里我们选择 使用直流稳压电源提供风扇所需的 18V 电源并通过 7805和 1117-3. 3实现降压 并稳压,为以上器件提供所需的 5V 电源和 3. 3V 电源。图二为电源电路图。并 联二极管起到电路保护作用,三端稳压器两端的电容起到滤波作用,使输出电 压更加平滑、稳定。

图二 电源电路图 2. 1. 2 角度测量电路

为了实现帆板倾斜角度的精确测量,设计中选用飞思卡尔 M M A 7361L 三轴加 速度传感器作为角度测量的核心器件,M M A 7361L 具有三路模拟量输出信号, X o u t 、Y o u t 、Z o u t 脚分别是 X 轴、Y 轴和 Z 轴方向倾角的模拟电压输出脚,该 设计仅测量一个方向的的倾角,因此仅需用 A D C 0804对一个输出脚的数据进行 模数转换,将测得的数字量回传到单片机经过计算即可得到一个方向的倾斜角 度

M M A 7316L 外围电路如图三:

图三 M M A 7361L 外围电路 模数转换电路如图四: 图四 模数转换电路 2. 1. 3风扇控制电路

设计中风扇的转动由直流电机带动,所以要对风扇转速进行调整,就要对 直流电机转速进行控制。

驱动模块是控制器与执行器之间的桥梁,在本系统中单片机的 I /O 口不能 直接驱动电机,只有引入电机驱动模块才能保证电机按照控制要求运行,在这 里选用 L 298N 电机驱动芯片驱动电机,该芯片是由四个大功率晶体管组成的 H 桥电路构成,四个晶体管分为两组,交替导通和截止,用单片机控制达林顿管 使之工作在开关状态,通过调整输入脉冲的占空比,调整电动机转速。其中输 出脚(SE N 1和 S E N B 用来

连接电流检测电阻,V s s 接逻辑控制的电源。V s 为电 机驱动电源。I N 1-I N 4输入引脚为标准 T T L 逻辑电平信号,用来控制 H 桥的开 与关即实现电机的正反转,E N A 、E N B 引脚则为使能控制端,用来输入 P W M 信号 实现电机调速。这样单片机产生的 P W M 脉冲控制 L 298N 的选通端,使电机在 P W M 脉冲的控制下正常运行,其中四个二极管对芯片起保护作用。风扇的速度 由 P W M 决定,P W M 占空比 0%-100%对应风扇转速 0-M A X , 图五为电机驱动电路原 理图。

图五 电机驱动电路原理图

2. 1. 4 单片机外围电路

单片机外围电路由单片机最小系统、键盘输入、L C D 12864液晶显示电路构 成,原理图如图。

51系列单片机典型的最小系统由单片机、复位电路、外部震荡电路和电源 构成。

根据设计要求要对帆板转角、风速等级和设定角度等状态进行显示,因此 在电路中加入显示模块是非常必要的。在系统运行过程中需要显示的数据比较 多,而且需要汉字显示,在这里选用 128×64液晶显示器比较适合。

图形显示共有 20个引脚,其引脚名称及引脚编号的对应关系如图六,单片 机外围电路整体电路图如图七。

图六 128×64L C D 引脚分布

图七 单片机外围电路图 2. 1. 5 声光提醒电路

声光提醒电路由发光二极管、蜂鸣器、I S D 1820语音播报电路构成,当帆 板稳定在在 45°±5°范围内时,声光提醒功能即会触发。

蜂鸣器经三极管放大增强音量,发光二极管连接时需加限流电阻,以免亮 度刺眼,或是电流过大影响使用寿命,语音报警电路采用 I S D 1820单片 10s 录 音 I C 。I S D 1820是一个优秀单片语音录放电路,由振荡器、语音存储单元、前 置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。一个最小录 放系统仅有麦克风、一个喇叭、若干电阻电容组成。录音内容存入永久储存单 元、单一 5V

供电。语音提醒电路如图八。

图八 I S D 1820语音播报电路

U t U =

0U U ×=α03. 软件设计与算法分析

系统的软件设计采用 C 语言,对单片机进行编程实现各项功能。 程序是在 W I N X P 环境下采用 K e i l u V i s i o n 3软件编写的,可以实现键盘扫 描、液晶屏操作、倾角计算、P W M 脉宽调制、语音提醒控制等功能。

3. 1 P W M 电机调速算法

风扇所用的直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围 广,过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动 和反转;能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求,在许多需要调 速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。

直流电动机的转速调节主要有三种方法:调节电枢供电的电压、减弱励磁 磁通和改变电枢回路电阻。随着科学技术的迅猛发展传统的模拟和数字电路已 被大规模集成电路所取代,这就使得数字调制技术成为可能。目前,在该领域 中大部分应用的是数字脉宽调制技术。电动机调速系统采用微机实现数字化控 制,是电气传动发展的主要方向之一。下面主要介绍直流电机 P W M 调速系统的 算法实现。

根据 P W M 控制的基本原理可知,一段时间内加在惯性负载两端的 P W M 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 t 0, 幅值为 U ,由图九可求得此时间内脉冲的等效直流电压为

,若令 T t = αα

即为占空比,则上式可化为公式一: (U 为脉冲幅值 (公式一 图九 P W M 单脉冲

U U t U

nt U ×==α0若 P W M 脉冲为如图 10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

(α为矩形脉冲占空比 (公式二 图 10 P W M 脉冲

由公式二可知,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 α来实现,因为在实际系统设计中脉冲幅值一般是恒定的,所以通常通 过控制占空比 α的大小实现等效直流电压在 0~U之间任意调节,从而达到利 用 P W M 控制技术实现对直流电机转速进行调节的目的。

3. 2 角度测量算法

本设计中选用的角度测量传感器为模拟输出型的三轴重力加速度传感器 M M A 7361L ,使用时需要在单片机与角度传感器之间加装模数转换器 A D C 0804, 实际测量中发现其输出的模拟电压值和传感器与平面之间的倾角并非完全的线 性关系,因此在实际编程中我们选择对转折最大的四段分别通过算法处理,减 小误差,算法如下:

if (a d v a l >=107&&a d v a l <125 a d v a l 2=(c h a r (0. 83*(a d v a l -107 ;

i f (a d v a l >=125&&a d v a l <145 a d v a l 2=(c h a r (1. 00*(a d v a l -125 +15 ; if (a d v a l >=145&&a d v a l <157

a d v a l 2=(c h a r (1. 25*(a d v a l -145 +35 ; if (a d v a l >=157&&a d v a l <166

a d v a l 2=(c h a r (1. 71*(a d v a l -157 +50 ;

程序中 a d v a l 为倾角传感器输出的结果经模数转换后得到的数字量结果, a d v a l 2为经算法处理后得到的角度值。

实际应用中使用算术平均值滤波法,取五次测量角度的平均值作为最终的 结果输出,减小角度波动。

3. 3 风扇控制算法分析与选择

为了实现使帆板达到设定角度,并且稳定误差要小,我们考虑过用数字 P I D 控制帆板角度稳定,对一般控制系统来说 P I D 算法的稳定效果比较好,但 参数整定需要经过多次调试才能确定,P I D 控制系统原理框图如图 11。

由图 11可知 P I D 调节器是一种线性调节器,这种调节器是将设定值 w 与实 际输出值 y 进行比较构成偏差,并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控 制量。其动态方程为公式三。

图 11 模拟 P I D 控制系统原理框图 dt t de K dt t e K t e K t u d i p

( ( ( (∫++= (公式三

其中 K p ---为调节器的比例放大系数 K i ---为积分时间常数 K d ---为微分时间常数 P I D 调节器的离散化表达式为公式四 ]1( ( ( ( (??+

+=k e k e T K k Te K k e K k u i p (公式四

其增量表达形式为: 1( ( (??=?k u k u k u ]2( 1(2 ( (]1( ([?+??+

+??=k e k e k e T K k Te K k e k e K i p 其中 T 为采样周期。

可见温度 P I D 调节器有三个可设定参数,即比例放大系数 K p 、积分时间常 数 K i 、微分时间常数 k d 。

比例调节的作用是使调节过程趋于稳定,但会产生稳态误差; 积分作用可消 除被调量的稳态误差,但可能会使系统振荡甚至使系统不稳定;微分作用能有 效的减小动态偏差。

但在实际测试中我们发现 P I D 算法中的比例系数,积分常数,微分常数的 的确定非常消耗时间,且超调较大,帆板角度波动较大,最终我们选择使用查 表法将风扇能吹起帆板的每个度数所需的电压值逐一记录,并通过 P W M 调节风 扇电机的输入电压,改变风速,并制定一个占空比-角度映射表,写入单片机的 R O M ,然后通过键盘设定角度,查找所需占空比,实现风力调节,并影响帆板角 度。

3. 4 总体程序流程图 程序总体流程图如图 12所示 图 12程序流程图

4. 系统测试

为了确定系统与题目要求的符合程度,我们对系统中的关键部分进行了实 际的测试。

4. 1测试仪器

表 1测试使用的仪器设备 名称、型号、规格 1量角器 1 2踪示波器 1 3数字万用表 1 4直流电压源 1

5秒表 精度 0. 01s 1 6游标卡尺 1 4. 2测试数据与分析

通过调整帆板并记录测量角度和实际角度,详细记录如下。 表 2测试数据(单位度 测量角度 实际角度 测量角度 603. 510. 28860 583. 500. 28959

由测试表格可以看出,测量角度和实际角度误差在5度以内。 5. 结论与总结

本设计制作完成了题目要求的全部任务,基本部分和发挥部分的设计都 符合设计要求,实现了帆板转动角度的测量,风扇风速调节,帆板角度设 定,并在短时间内达到设定值。加入了语音播报功能,可以将事先录制的声

音在实现角度稳定时进行语音提醒,并且通过微处理器控制风扇与帆板之间 的距离,无需人工推拉,使得设计更加个性化。

通过本次设计大赛,我们学到了许多十分有用的理论知识,还提高了自 己的动手能力,另外,我还感受到的团队精神的重要性,大赛是三个人一 组,由于大赛的题目一般都包含了软、硬件的内容,而且所给的时间只有四 天三夜。光靠一个人的力量是几乎不可能完成任务的,必须三个人齐心协 力,明确分工,及时沟通和交流,共同克服困难。为我们以后走上工作岗作 一个很好了铺垫。电子设计大赛确实是一个值得我们大学生参加的比赛。

参考文献

1. S T . L 298N 数据手册[D B /O L ]. h t t p ://w w w . 21i c . c o m . 2000-7-1/2008-5-9.

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4. 郭天祥. 新概念 51单片机 C 语言教程:入门、提高、开发、拓展全攻略[M ]. 北京:电子工业出版社, 2009:79-85,95-110,167-178,430-438, 494-500.

附录 1主要元器件清单 序号 名称、型号、规格 数量 1 单片机 STC89C52 2 2 LCD12864液晶显示屏 1 3 +5V稳压芯片 7805 1 4 +3.3V稳压芯片 1117-3.3 1 5 台式机散热风扇

1 6 语音播放模块 I S D 1820

1 7 电机驱动芯片 L 298N 1 8 倾角传感器模块 M M A 7361L 1 9 模数转换器 A D C 0804 1

附录 2 总体电路图

全国大学生电子竞赛参赛论文 21

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