2015年北华大学电子
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竞赛
帆板控制系统(D)
2015年11月10日
摘要
基于STC89C52单片机的帆板角度控制系统,系统可以利用风扇控制装置对帆板角度进行控制,并通过LCD12864实时显示角度变化。还可依据设定的帆板角度信息智能控制风扇转速,在很短时间内(5秒以内)动态调整帆板摆角,同时实时显示帆板角度等信息。
系统包括:单片机主控模块、角度信号采集模块、键盘输入模块、显示模块、电源模块、风扇电机驱动模块。系统主控模块采用性价比高的单片机最小系统;选用ADXL345加速度传感器完成系统角度信号采集功能;利用LCD12864实时显示角度变化的信息,5*6矩阵键盘完成风力等级和角度设定的输入;系统电源模块采用两路稳压输出电路(5v、15v),提供控制系统与风扇电机的工作电源;风扇电机采用L298N模块驱动。本系统制作成本较低、工作性能控制稳定,能很好达到设计要求。
关键词:STC89C52;加速度传感器;LCD12864;L298N
目录
1系统方案 (1)
1.1主控电路的论证与选择 (1)
1.2角度传感器的选用的论证与选择 (1)
1.3 显示模块的论证与选择 (1)
1.4 按键选用的论证与选择 (1)
1.5电机的驱动论证与选择 (2)
1.6风扇的论证与选择 (2)
1.7电源的论证与选择 (2)
2系统理论分析与计算 (2)
2.1 距离计算 (2)
2.2 角度计算 (2)
2.3 控制算法 (2)
3电路与程序设计 (3)
3.1硬件的设计 (3)
3.1.1系统总体设计方案 (3)
3.1.2总体电路图 (3)
3.1.2风扇控制原理图 (3)
3.1.2显示模块原理图 (4)
3.1.2声光提示模块原理图 (4)
3.1.2传感器模块原理图 (4)
3.2软件的设计 (5)
3.2.1风扇控制算法设计 (5)
3.2.2声光提示算法设计 (6)
3.2.3系统流程图 (6)
4测试方案与测试结果 (7)
4.1测试方法与仪器 (7)
4.2.1测试结果(数据) (7)
8.2.2.测试分析与结论 (7)
5参考文献 (8)
附录1单片机最小系统原理图
帆板控制系统(D)
1系统方案
1.1主控电路的论证与选择
方案一:采用可编程逻辑器件FPGA作为控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能,IO资源丰富,易于进行功能扩展。但本系统不需要复杂的逻辑功能,且从使用、功耗及经济的角度考虑我们放弃了此方案。
方案二:
STC89C52 单片机采用STC89C52 单片机作为主控器,其算术功能强,软件编程简洁灵活、自由度大,可用软件编程实现各种逻辑控制功能,且其功耗低、技术成熟,成本低廉。本系统主要是进行信号的处理以及风扇电机的控制。
综合考虑,本系统设计的功能依靠51单片机均可实现,故采用方案二。
1.2 角度传感器的选用的论证与选择
方案一:用UZZ9001Y与KMZ41连接构成一个角度测量系统。电路组成繁琐,制作较困难,稳定性较差。
方案二:倾角传感器。该集成芯片为专用的水平倾角测量芯片,具有体积小、灵敏度高等优点,但是输出为模拟信号,需要用到DA转换,操作间为复杂,且占用I/O口较多,不利于本统功能模块的操作。
方案三:用ADXL345数字加速度传感器。ADXL345是一款小而薄的超低功耗的3轴加速度计,可测量帆板在斜面所受重力加速度在斜面上的分量,进而转换成倾斜角,测量精度较高。ADXL345输出信号为数字信号,避免了A/D转换,操作简单;此外ADXL345只需用到两个I/O口,占用资源少,能满足本设计的要求。
本系统选择了第三种方案。
1.3 显示模块的论证与选择
方案一:使用数码管显示。要完成功能电路的显示需要多个数码管,此方案占用I/O 口多,连接不便,显示效果差,功耗大。
方案二:用LCD1602液晶显示。1602是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式,1602分为上下2行,每行显示16个字符。驱动简单,但不能显示汉字。
方案三:用LCD12864液晶显示。LCD12864功能强大,不仅能显示字母、数字、符号,还可以显示汉字和图形,最多可显示4行,每一行最多显示8个中文,16个半宽字体。(最好选用带字库的,方便编写程序。)LCD12864和LCD1602使用方法类似,驱动简单,耗电量小,无辐射危险,显示直观、抗干扰能力强,但体积较大。
本系统选择了第三种方案。
1.4按键选用的论证与选择
方案一:采用独立键盘。多个使用时,线路连接不便,操作繁琐。
方案二:采用5*6的距阵键盘,可输入的值比较多,可设定的功能也多。
在本系统中需要多个键,系统选择了第二种方案。
1.5电机的论证与选择
方案一:用分立元件构成的H桥电路利用分立三极管元件构成的H桥电路结构简单,但驱动能力有限,所带负载不可过大。
方案二:用ULN2003功率放大器件。ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN 达林顿管组成。通过使用不同的放大电路和不同参数的器件,可达到不同的放大的要求,放大后能得到较大的功率。
方案三:采用L298N集成H桥芯片。在L298N集成芯处中集成了两套H桥电路,可直接驱动两路直流电机,利用单片机产生的PWM信号,可方便地进行电机调速。
本系统设计采用方案三。
1.6风扇的论证与选择
方案一:用普通的散热风扇。风力小,风力流失大,很难达到系统要求。
方案二:用带通风通道的风扇。风力集中,流失小,能很好的吹动帆板。
本系统设计采用方案二。
1.7电源的论证与选择
方案一:自制稳压电源。采用变压器与三端稳压器相结合,使220V电压经变压器变压,降为系统所需电压,过整流桥并利用两个大的电容滤波,从而得到较为稳定的直流电压。自制电源体积大,需接入220V电压,电压不稳定,使用不方便。
方案二:三块6V蓄电池串联供电。直接选用所需型号蓄电池,能量足,供电稳定,高低温适应性强。
本系统选用第二种方案。
2系统理论分析
2.1距离计算
帆板尺寸:长15cm,宽10cm。风扇到帆板的距离:7~15cm。本系统帆板转轴直径0.5cm
2.2角度计算
帆板转角:0~60度。
帆板转角测量原理:风扇吹动帆板转动,产生帆板角度变化,利用ADXL345数字加速度传感器测出三维坐标x 、y 、z的变化,将加速度传感器固定在帆板上,从而通过固定y,利用x 、z的关系求出角度。角度θ=(180*atan(temp z/temp x))/3.14。角度的测量范围是0—90°,可以满足系统要求。
2.3控制算法
首先利用键盘控制风扇的转速,使帆板能够偏转一定的角度,再利用加速度传感器测出帆板的角度,送显示电路显示。具体控制算法采用C语言编程实现,具体程序代码见附录2。
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