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2011全国电子设计大赛论文-F题论文


赛区: 江西赛区 赛区编号: JXB13004 测试人签字:

帆板控制系统(F 题)
摘要:本题——帆板控制系统,是以 AT89S52 单片机和红外测角及 A/D 转换器
件为核心。作品使用 AD 转换器件 TLC1543 与红外对管实现实时采样,通过控制 风扇转速,调节风力大小,使得帆板的转角改变(θ ),并在相应得显示设备,显 示帆板转过的角度,系统结构简单,实现方便。主要实现功能为实时测试帆板的 转角,实现帆板转角角度 0℃—60℃之间变化,分辨能力在 2℃,误差值≤5℃。 关键字:AT89S52 电机驱动 L298HN 红外对管 A/D 转换 TLC1543CN

1.方案设计
1.1 主控制芯片选择

方案一:采用 FPGA 做主控制器,由 FPGA 来完成采集和信号处理等底层的核 心计算,做主控芯片,计算速度快,功能强大。缺点;成本高,制作耗时长,不 易控制。 方案二:采用 AT89S52 单片机做主控制器,由单片机来完成采集和信号处理 等底层的核心计算,做主控芯片,成本低,易控制,易实现。 方案三:采用 ARM 微处理,做主控芯片,计算速度快,缺点;成本高,控制 较复杂,不容易焊接。 经过以上三个方案比较,在此题方案二明显优于方案一和方案三,故采用方 案二采用 AT89S52 单片机做主控制器。

1.2

角度测量方案

方案一:在转轴上安装电位器进行测角,即转轴转动电位器,运用 A/D1543, 读出电阻值,反馈检测信号给单片机,然后在单片机进行角度转换及计算,该方 法由于电位器在每次转动过程中,其电阻值都有一定的偏差,容易磨损,采集数 据非常复杂,并且准确度很低。 方案二:在帆板的机架安装红外对管,帆板转动时红外接收的光信号,随帆 板转动而变化,红外接收的光信号模拟量,运用 A/D 读回模拟量,反馈检测信号 给单片机,在单片机进行角度转换及计算,这种方法没有机械摩擦,也不受外界 的干扰,比较容易实现。 方案三:在帆板上安装二维角度传感器,直接读出角度,价格高,程序实现 很难。 本设计采用通过红外对管反射的方法采集角度,成本低,实现容易。

1.3

显示器件的选择

方案一:运用液晶 LCD1602 作为显示器件,价格低,易于控制,程序简单。 显示信息量大,并且功耗低,能够满足显示角度信息和控制信息。该设计采用
1

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LCD1602 显示。 方案二:运用 12864 作显示,价格高,使整个控制系统成本增加。

1.5

电机选择

方案一:采用步进电机,步进电机具有精确定位,速度易控制,但速度较低, 不能使风扇正常的吹起帆板。 方案二:采用直流电机,速度易控制,转速高,价格低廉,故本设计采用直 流电机作为动力装置。

1.6

电源选择

方案一:采用单一电源,这样供电比较简单,但是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,不 利单片机系统的稳定性。 方案二:多路电源供电,运用稳压芯片如 LM7805 和 LM7812 分成两路输出, 分别供给单片机工作电源和电机的电源, 这样即能保证单片机系统和电机系统稳 定工作,两者之间无相互干扰,并且整机系统工作可靠性高,所以本系统采用该 方案。

1.7

转换方案

方案一:采用 TLC1543,TLC1543 为 10 为串行模数转化芯片,使用开关电容 逐次逼近技术完成 A/D 转化过程,在输入电压为 0---5V 时,电压精度可达到 1.2mv。由于采用串行结构,能够节省 52 单片机的 IO 口资源,价格适中,外围 电路简单等,稳定可靠。 方案二:ADC0832 是并行接口的 8 位 A/D 转换器,ADC0832 转换速度慢,转 换精度第,在此很难达到系统设计要求。

2. 系统设计原理
系统设计原理:采用红外对管采集帆板转动时进行光的反射,根据红外接收 管所接受电压的不同,通过 10 位 AD 转换 TLC1543,转化将其采取的电压值转化 数字量,通过单片机内部运算处理,将该数据为角度值用于显示,同时采用 PWM 控制 L298N 来控制风扇信号,使风扇的风速保持帆板转动的角度和设定角度对 应,在经过处理送到显示器 LCD1602 上显示。 本作品采用专业电机驱动器 LMl298HN 驱动器,通过 PWM 信号控制电机的转 速。系统实现的总体电路框图如图 1 所示。

2

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红外对管 采集信号

TLC1543 进行 AD 转 换

1602 显示器

矩阵键盘

89S52 单 片 机

L298N 直 流电机控制

驱动直流电机的风扇系 统 图 1 系统设计框架

3. 功能电路模块说明
3.1 声光报警电路设计
因为 AT89S52 单片机,驱动能力较弱 ,所以采用灌电流驱动,同时用三极 管驱动蜂鸣器,当帆板转角到达 45 度时,AT89S52 单片机 P2.0 输出低电平,此 时红色 LED 亮,蜂鸣器报警。电路如图(2)所示。
V C C U 2 V C C 6 1 0 2 显 示

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N

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图 2 声光报警电路

G

N

图 3 LCD1206 显示电路

3.2

显示电路设计

采用字符型 LCD1602 液晶显示器该显示器器件低功耗、能显示字母和数据, 由于在整个系统设计中只需显示转动角度和当前角度,所以从性价比上,本设计 选用 LCD1602 液晶显示装置。LCD1602 显示电路图如图 3。

3.3

电机驱动电路设计

L298N 是电机控制专用芯片,它也可以控制直流电机,电路设计比较简单, 使用外围器件少, 在本系统中采用 L298N 控制直流电机的运转,从而控制风扇的 转动, 通过红外对管采集的电压信号反馈给单片机,可以使风扇从低速到高速的 运行,从而可实现所需的闭环控制。电路图如图 4 所示。
3

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C

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5.2
LED3 D k 1 5 R 5 G 1X3 V P P 1X3 P P N 电 D C 5 C 1 1 机 2 3 1 2 3 驱 动 1 1 1 2 0 1 7 5 6 8 IN4 IN3 ENB IN2 IN1 ENA G N D 4 V S 1 4 2 3 5 1 B SENSE 9 VSS 1 SENSEA OUT4 OUT3 OUT2 OUT1 1 1 3 2 4 3 L U 2 1 9

5.1 按键电路设计
8 D D 2 1

4.1

3.4

5. 系统测试
单片机程序设计
D D 8 6 D D

4. 系统程序设计
图 4 电机驱动电路
4 3 D D 9 7

采集 A/D1543 的值

红外接收信号
1X2 P P 1X2 P P 1X2 P

测试仪器和操作说明
P 1X2 P P 2 1 7 2 1 6 2 1 4 2 1 2 1X8 P P 2 1 2 3 4 5 6 7 8

题目基本要求测试数据
开始 初始化
按 键 2 1 2 1 2 1 2 1 buttonb 设 buttonb buttonb buttonb 4 1 置 7 4 3 4 3 4 3 4 3 2 1 2 1 2 1 2 1 buttonb buttonb buttonb buttonb 0 8 2

控制 l298

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图 6 主程序流程图

采用矩形键盘,可以节省单片机的端口使用,同时减少单片机的内部资源, 来 实现 16 个按键的处理。 电路如图 5 所示。 系统总电路见附录 2。

单片机主要是控制采样保持电路及 A/D 转换器,并进行数据处理。同时还承 担了控制其他的任务。 单片机完成 A/D 电路的控制、 角度显示及操作界面的管理。 其程序流程图如图 6 所示。

量角器一把,精度 1 度,咫尺:长度为 0~20CM,操作说明见附录 1。

4

图 5 按键电路图

显示初始化

键盘检测

风扇

5

4

3

4

3

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3

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5.2.1 基本要求中(1)测试数据 固定电机到帆板之间的距离,用手转动帆板,测试帆板转动角度值与液晶显 示测量值比较如表 1 所示。
表 1 测试帆板转动角度值与液晶显示测量值数据表

次数
1 2 3 4

转角值(度) 5 10 20 50

测到转角值 (度) 3~8 9~12 19~21 49~51

距离(cm) 10 10 10 10

误差值(度) 2~3 1 1 1

根据数据分析本系统完成了基本要求(1)的所有功能。 5.2.2 基本要求(2)测试数据 固定间距 d=10cm,用按”加”或“减”键,通过改变风扇加速或减速,实 现帆板转角(0~60)度之间转动,测试帆板转转角值与液晶显示测量值比较如表 2 所示。
表 2 帆板转转角值与液晶显示测量值数据比较表 加数值 5 15 30 46 转角值(度) 4 14 31 45 测到转角值 (度) 4~7 14~16 29~31 45~47 距离(cm) 10 10 10 10 误差值(度) 2~3 1 1 1

根据数据分析本系统完成了基本要求(2)的所有功能。 5.2.3 基本要求(2)测试数据 当间距 d=10cm,在键盘上输入角度值,控制风扇风力的大小,使帆板转角 在设定角稳定下来,看在转角 45 度时,声光有无提示,并测试帆板转动得值与 液晶显示测量值数据比较如表 3 所示。
表 3 测试帆板转动得值与液晶显示测量值数据比较表 实际转角 (度) 10 16 46 49 实测转角值 (度) 9 16~17 45~46 49~51 距离(cm) 误差值 (度) 设定值 10 10 10 10 1 1 1 1 10 15 45 50 声光提示 (有/无) 无 无 有 无

根据数据分析本系统完成了本系统完成了基本要求(3)的所有功能。

5.3

发挥部分测试

5.3.1 发挥部分要求(1)测试数据 固定间距在 10cm,在键盘设定帆板转角值,测试帆板转角值与液晶显示测 量值数据、设定值数据比较如表 4(说明:输入值范围在 0 到 60 度)。

5

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表 4 帆板转角值与液晶显示测量值数据、设定值数据比较表 时间 4 4 4 4 5 4 4 5 6 帆板转角值 (度) 9~11 14~16 19~21 26~27 30~31 34~35 39~41 53~55 57~58 测到转角值 (度) 9~11 15~17 20~21 24~26 31~32 35~36 40~42 52~54 57~59 距离(cm) 10 10 10 10 10 10 10 10 10 误差值(度) 2 1 1 2 1 1 2 2 2 设定帆板转 角值 10 15 20 25 30 35 40 55 60

根据数据分析本系统完成了本系统完成了发挥部分(1)要求的功能 5.3.2 发挥部分要求(2)测试数据 改变间距在范围在 d=7~15cm,在键盘设定帆板转角值(输入值范围在 0 到 60 度),测试帆板转角值与液晶显示测量值数据、设定值数据比较如表 5。
表 5 测试帆板转角值与液晶显示测量值数据、设定值数据比较表 时间 4 4 4 4 5 4 4 5 5 4 帆板转角值 (度) 9~11 19~21 29~32 48~51 13~17 24~28 42~46 56~57 25~30 48~52 测到转角值 (度) 9~11 19~21 29~32 48~51 13~17 24~28 42~46 56~57 25~30 48~52 距离(cm) 7 7 7 7 9 9 9 10 10 10 误差值(度) 1 1 1 1 2 2 1 1 1 3 设定帆板转 角值 10 20 30 50 15 26 45 56 28 49

根据数据分析本系统完成了本系统完成了发挥部分(2)要求的功能。 5.3.3 发挥部分要求(3)测试数据 改变间距在范围在 3~17cm,在键盘设定帆板转角值,测试帆板转角值与液 晶显示测量值数据、设定值数据比较如表 6;
表 5 测试帆板转角值与液晶显示测量值数据、设定值数据比较表 时间 4 4 4 4 帆板转角值 (度) 9~11 19~21 29~32 48~51 测到转角值 (度) 9~11 19~21 29~32 48~51
6

距离(cm) 3 3 3 3

误差值(度) 1 1 1 1

设定帆板转 角值 10 20 30 50

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5 4 4 5 5 4 4

13~17 24~28 42~46 56~57 25~30 48~52 52~56

13~17 24~28 42~46 56~57 25~30 48~52 52~56

16 16 16 16 17 17 17

2 2 1 1 1 3 2

15 26 45 56 28 49 54

根据数据分析本系统完成了本系统完成了发挥部分(3)要求其他的功能,将 间距 d=7~15cm 增加至 d=3~17cm 的功能。

6.结论
经过多次测量证明, 误差值符合题目的要求,本设计完成了题目的基本部分 和发挥部分的要求, 检测结果表明本设计成功地实现了题目的要求,具有较高的 性价比。但是,系统也存在许多不足之处,如在转角小于 5 度或 57 度时,由于 直流电机的缺点,造成测量误差偏幅较大,在 5 度时测量误差值正负 2 度,57 度以上,系统不能到达最大值。在其他范围度数,测量误差值正负 1 度。还有在 帆板厚度设计考虑不够周到, 如当外环境有较大风力时, 此时测量的值波动较大, 改善其缺点,就要在翻板厚度及风扇驱动做好。

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参考文献:
【1】 全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京: 北京理工大学出版社.2007. 【2】 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计[M].北京: 北京航空航天大学出版社 2006. 【3】高吉祥.《全国大学生电子设计竞赛培训教程》[M].模拟电子线路设计.2007 年.第九 【4】黄正瑾.《电子设计竞赛赛体解析》[M].东南大学出版社. 2003 年.第五章 【5】全国大学生电子设计竞赛组委会 编《全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编》[M]. 北京理工大学出版社.2006 年 【6】吴少军、刘光斌.《单片机实用低功耗设计》[M]. 人民邮电出版社.2005 年 【7】何立民.《单片机应用程序设计技术》[M].北京航空航天大学出版社. 2003 年.第二章. 【8】童诗白、华成英. 《模拟电子技术基础》[M]. 高等教育出版社. 2000 年.第六章.

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附录 1

操作说明

1,按键说明; (1)、ON/OFF;是供电总开关(即开机)。 (2)、复位; 是单片机的复位键。 (3)、设置; 是用来设定帆板转角。 (4)、撤销; 是在自动定位帆板转角模式下,撤销设定的转角。 (5)、45°; 特殊键功能键,当按下时,帆板会被风扇吹到转角 45 度角处。 (6)、加; 是在手动调整转角的加计数, (7),减; 是在手动调整转角的减计数, 2,模式操作说明; (1)、手动测量帆板转角;开机后单片机会自动进入手动测试,此时 LCD1602 显示 00°,用手轻轻转动帆板,液晶(LCD1602)显示实时的帆板转角(0~60 度)。 (2)、手动调节帆板转角;开机,按加或减,帆板转角会自动加或减。 (3)、自动定位帆板转角;设立任意转角(0~60 度),即开机后按“设置”按键,此时 LCD1602 显示上屏显示 set;提示你输入转角,你可在键盘上输入角度,完毕后请按“确定” 键,设置完毕,此时小风扇转动,在 4 秒左右,帆板转角稳定在你设的值。若想重设转角, 即按“设置”键,后输入你想要帆板转角,后“确定”即可了。若想清除设得角(清零), 按“撤销”键即可。在此模式下若按下“撤销”键也可进入手动模式。

9

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赛区: 江西赛区 赛区编号: JXB13004 测试人签字:

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2

Vin

Vout

RT1

RT2

t

Thermal t

Res

Thermal

Res

G

N

D

Bridge1

P

2

总电路图

1

1

0

0

p

F

Reg

Volt

2

C

8

C10

D12

1X2

P

1

0

0

p

F

G

N

D

G

N

D













P

4













V

C

C

1

P

4

2

V

C

C

V

C

C

1X2

P

V

C

C

R

5

R

4

1

2

3

4

5

P

5

1











1

k

P

6

2

w

1

8

3

w

2

D

1 1

7

1X5

P

LED3

4

w

3

LED3 2

6

5

w

4

D

2

5

1X2

P

6

w

5

4

D

7 7

w

6

3

5

4

3

2

1

P2.0

P

7

8

w

7

2

R

2

9

w

8

P

6

G

N

D

1

1

1

k

1X5

P

2

1X8

P

resp

D

9 1X2 P

G

N

D


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