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2011年全国大学生电子设计竞赛论文 F题 帆板控制系统


2011 年全国大学生电子设计竞赛

帆板控制系统(F 题) 帆板控制系统( 【高职高专组】 高职高专组

2011 年 9 月 6 日

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本设计采用 STC89C52 单片机为控制核心,并配合 L298D 驱动芯片,合理 利用该芯片的丰富资源,加以直流电机、角度传感器、液晶显示,独立按键以及 稳压电路。采用角度传感器测帆板旋转的角度,按键用于帆板角度的设置,通过 检测的角度值和设置值的比较算法,调整直流电机的转速,使风扇吹动帆板角度 等于设置的角度。在 LCD1602 上对获取的信息进行实时显示其处理结果,本系 统完成了题目的基本要求和发挥部分要求,在整体上保证了设计的完成。 关键字: 关键字:STC89C52,角度传感器,直流电机,液晶显示。

Pick to
This design USES the STC89C52 microcontroller as control core, and cooperate with L298D drive chip, reasonable utilization of the chip of the rich resources, to dc motor, Angle sensor, liquid crystal display, independent buttons and voltage circuit. The measure of the rotation Angle sensor panels, buttons panels used for Angle of view, through the test of the set value and the setting of the Angle of comparison algorithm, adjust the dc motor speed, make fan blowing the panels is equal to the Angle of view Settings. In LCD1602 to obtain information on the real-time display of the deal, and this system to accomplish the topic of the basic requirements and play a part in the overall requirements, to ensure the design is complete. Key word: STC89C52, Angle sensor, dc motors, liquid crystal display.

I

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1 系统方案 ............................................... 1 1.1 电机驱动模块的论证与选择 ....................................................... 1 1.2 角度测量模块的论证与选择 ........................................................ 1 1.3 控制系统的论证与选择 ............................................................... 2 2 系统理论分析与计算...................................... 3 3 电路与程序设计 ......................................... 3 3.1 电路的设计 .................................................................................... 3 3.1.1 系统总体框图 ....................................................................... 3 3.1.2 电机驱动子系统框图与电路原理图 .................................. 3 3.1.4 电源 ....................................................................................... 5 3.2 程序的设计 .................................................................................... 5 3.2.1 程序功能描述与设计思路 ................................................... 5 3.2.2 程序流程图 ........................................................................... 5 4 测试方案与测试结果...................................... 6 4.1 测试方案 ........................................................................................ 6 4.2 测试条件与仪器 ........................................................................... 6 4.3 测试结果及分析 ........................................................................... 7 4.3.1 测试结果(数据) ..................................................................... 7 4.3.2 测试分析与结论 ................................................................... 7 附录 1:电路原理图 ....................................... 8 附录 2:源程序 .......................................... 10
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帆板控制系统( 帆板控制系统(F 题) 【高职高专组】 高职高专组
1 系统方案
本系统主要由单片机最小系统模块、L298D 电机驱动芯片模块、角度传感器模块、 电源模块组成,下面分别论证这几个模块的选择。

1.1 电机驱动模块的论证与选择 电机驱动模块的论证与选择
鉴于价格和功能的考虑,我们选择了直流电机,通过 PWM 控制电机的转速来控制 风力大小。电机驱动部分有以下三种方案:

方案一: 采用步进电机为驱动源,此方案可以轻松达到调速的目的,而步进电机的价格比较 高,转速也不快,致使风力不足难以控制。 方案二: 使用 MOSFET 构成 H 桥式驱动电路,利用 PWM 波形来控制电机的转速,此电路驱动 功率比较大耗能高,电机的转速较快。 方案三: 使用直流电机驱动芯片 L298N 来驱动直流电机。L298N 作为集成芯片,一块芯片能 够输出两路 PWM 波形,控制电机,相对于由 MOSFET 构成的 H 桥式驱动电路来说具有控 制电机转速快等优点。二者价格上差别不大。根据性能比,我们选用了方案三。 综合以上三种方案,选择方案三。

1.2 角度测量模块的论证与选择 角度测量模块的论证与选择
角度检测模块是系统的重要组成部分,我们需要角度传感器来测量帆板转移的角 度,当倾角在某个范围之内的时候即可以认为帆板的角度达到了指定的角度。 方案一: 用自制的角度传感器(精密可调电阻+恒流源) 。通过测试基本可以满足要求,但在 角度调整时装置的惯性较大,角度固定的难度大,且装置的角度大,在帆板上的安装难 度也大。 方案二:
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采用一个无接触磁敏电位仪和一个陀螺,把他们固定在金属支架上,陀螺的垂线正 对磁敏电位仪的孔,通过测量电位仪输出电压的变化测出陀螺摆角的变化,通过程序控 制帆板摆动的角度。但是它的精确度差,由于陀螺具有惯性,在帆板摆动过程中,陀螺 难免会因为惯性而来回摆动,这样很难检测到稳定的输出信号,控制起来比较困难。 方案三: BQ-2XN-TTL 倾角传感器,测量范围为正负 45 度,可以拓展到 60 度,分辨率为 0.1 度,刷新快,且输出的是数字信号,因此使用简单、方便。 综合以上三种方案,选择方案三。

1.3 控制系统的论证与选择 控制系统的论证与选择
本系统采用由 STC12 单片机为控制核心,并配合 L298D 驱动芯片,合理利用该芯 片的丰富资源,加以直流电机、角度传感器、液晶显示,独立按键以及稳压电路电路构 成。 方案一: 方案一:采用传统的 89C51 芯片为控制核心。具有 4KB 的程序存储器,128KB 的数据存储器,64KB 的片外存储器寻址能力,64KB 的片外数据存储器寻址能力,32 根输入/输出线,1 个全双工异步串行口,2 个 16 位定时/计数器,5 个中断源,2 个优先 级。但数学处理能力差,没有 ISP 下载线及 SPI 接口,功能单一,运算速度慢,控制过 程比较烦琐。 方案二: STC12 单片机具有 1 个时钟/机器周期,飞思卡尔芯片解密,增强型 8051 内核,速 度比普通 8051 快 8~12 倍,8 通道,10 位高速 ADC,速度可达 25 万次/秒,2 路 PWM 还可当 2 路 D/A 使用,2 通道捕获/比较单元(PWM/PCA/CCP),---也可用来再实现 2 个定时器或 2 个外部中断(支持上升沿/下降沿中断)。 综合考虑采用采用方案二控制。

2

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2 系统理论分析与计算 3 电路与程序设计
3.1 电路的设计
3.1.1 系统总体框图 系统总体框图如图 1 所示,系统总体框图。

图 1 系统总体框图

3.1.2 电机驱动子系统框图与电路原理图 电机驱动子系统框图与电路原理图
1、电机驱动子系统框图

电电电电L298N
Power 5V +5V 2 1 +5V LED1 R1 1K R2 LED2 1K R3 LED3 1K R4 LED4 1K 1 2 1 2 1 2 1 2 TLP521-4 TLP521-3 TLP521-2 TLP521-1 4 3 4 3 4 3 4 3 R5 1K R6 1K R7 1K R8 1K PWMA 1 2 +5V 8 6 11 5 7 10 12 +5V +5V C1 100uF U1 IN1 IN2 IN3 IN4 EN A EN B VSS VS OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 9 4 2 3 13 14 1 15 D5 1N4007 D6 1N4007 D7 D8 1N4007 1N4007 C2 104 0.1uF D1 1N4007 D2 1N4007 Power 12V C3 D3 D4 100uF 1N4007 1N4007 C4 104 0.1uF +12V M1 1 2 M2 1 2 1 2 +12V

IN1-IN4 1 2 3 4

ISEN A GND ISEN B L298N

PWMB 2 1

+5V

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图 2 .1 电机驱动子系统框图

图 2 .2 电机驱动子系统框图

图 2 .3 电机驱动子系统框图

2、独立按键与液晶显示子系统电路

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3、
图3 独立按键与液晶显示子系统电路

3.1.4 电源
将充电电池进行稳压、滤波。为整个系统提供 5V 或者 12V 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。

3.2 程序的设计 3.2.1 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: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

3.2.2 程序流程图
1、主程序流程图

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2、数据转化的子程序流程图

4 测试方案与测试结果
4.1 测试方案
1、硬件测试:本次任务基本要求为在离帆板 10CM 时 40 度到 50 到 10 秒内到达, 由独立按键控制电机的转速可以到达 40 度到 50 度,在由发挥部分为 7CM---15CM,0 度到 60 度,但电机不转时为 0 度,电机到达最大功率是为 60 度上下。 2、软件仿真测试:经仿真程序无错误。 : 3、 硬件软件联调: 通过按键控制可是实现风力的控制, 使角度能在 0~60 之间变化, : 且能过在 10S 内达到指定角度 45 度。发挥部分,在 7~15cm 的范围内,通过按键设置 0 —60 度的角度值,帆板都可在 5 秒内达到指定的角度。

4.2 测试条件与仪器
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
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无误,硬件电路保证无虚焊。 测试仪器:示波器,数字万用表,量角器,直尺。

4.3 测试结果及分析 4.3.1 测试结果 数据 如表 1 测试结果(数据 数据)

序号 1 2 3 4 5 6 7

设定值 55° 50° 48° 45° 43° 43° 49°

测量值 59° 48° 47° 46° 46° 48° 45°

误差 +4° -2° -1° +1° +3° +5° +4°

距离 7cm 8cm 9cm 10cm 12cm 13cm 15cm

表1 4.3.2 测试分析与结论
根据上述测试数据,由本帆板控制系统,由此可以得出以下结论: 1、本系统完成了题目的基本要求和发挥部分要求,在整体上保证了设计的完成。 2、本次设计大多用废弃材料制成,节约资金,误差控制在 5 度以内但有时误差也 较大。 3、误差主要来源有帆板上角度传感器的传输数据线的阻力,L298D 驱动芯片上的 电压有微小波动。电机达到最大功率、快接近最大的功率时的电机抖动,其他电路分流 使电机电流减小。 综上所述,本设计达到设计要求。

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附录 1:电路原理图 :

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附录 2:源程序 :

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