4_帆板控制系统设计报告

目 录 1帆板控制系统系统总体方案设计 4 1.1 风扇聚风模块的论证与选择 4 1.2 聚风模块的的论证与选择 4 1.3 按键显示模块的论证与选择 5 1.4 帆板模块的论证与选择 5 1.5 转轴模块的论证与选择 6 1.6 信号检测模块的论证与选择 6 1.7 电机控制模块的论证与选择 6 4 2系统理论分析与计算 7 2.1 风扇控制电路的分析与计算 8 2.1.1 2.2 角度测量原理的分析与计算 7 2.2.1 角度测量原理的原理 7 2.2.2 角度测量的计算 8 2.3 控制算法的分析与计算 7 2.3.1 2.3.2 2.3.3 3电路与程序设计 3.1电路的设计 3.1.1电源 3.1.2风扇控制电路设计计算 3.1.3总体电路图 3.2程序的设计 3.2.1程序功能描述与设计思路 3.2.2程序流程图 4测试方案与测试结果 4.1测试方案和仪器 4.1.1测试仪器 4.1.2 测试方案 4.1.2 硬件测试 4.1.2 软件测试 4.1.3 联机测试 4.2 测试结果及分析 4.2.1测试结果(数据) 4.2.2测试分析与结论 附录1：电路原理图 附录2：源程序 1.帆板控制系统系统总体方案设计 本系统主要由按键显示模块、风扇模块、聚风装置模块、帆板模块、电机模块、转轴模块、信号检测模块组成，采用STC12C5A60S2单片机做为系统控制的芯片，系统框图如图1所示。下面分别论证这几个模块的选择。 图1 帆板控制系统总体框架图 1.1风扇模块的论证与选择 方案一：选用鼓风机风扇，输出功率大，出风汇聚成直线型，叶片多，风力大，输出稳定，可以吹起较重的帆板。 方案二：选用直流轴流风扇。输出功率较小，出风分散，帆板转动角度小，波动较大。可以辅助聚风装置来消除出风分散现象。聚风装置采用有机玻璃，放在风扇两侧及上方做挡板，在帆板下面加一块半径和宽度大于帆板的90°扇形曲面，用盖板密封进风口到帆板转轴处的顶部，形成一个风力往上升的系统，这样帆板承受平稳的升力，转动角度范围加大，能达到90°以上。。 综合经过测试并结合 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 意分析，方案一中的风机虽优点明显，但不属于轴流风机，不符合题意，故否定。因而采用方案二。 1.2按键显示模块的论证与选择 方案一：采用数码管显示，按键设定，程序设计较为简单，缺点是显示信息量有限，不够直观。 方案二：采用8*8点阵，按键设定，由于显示信息量大，需要多块点阵结合，成本大，且硬件电路设计和软件编程都较为复杂。 方案三：采用液晶屏显示，按键设定。采用内置汉字库的液晶模块，显示信息量大，且人机交互友好，功耗低。 综合以上三种方案，我们选择方案三。设计的按键显示模块还具有声光报警功能，在帆板转角达到设定值时进行声光报警提示。该模块电路图如图2所示。 图2 按键液晶显示电路图 1.3帆板模块的论证与选择 方案一：选用有机玻璃塑料薄片做为帆板，重量适中，在系统具有聚风装置后，这种材料的帆板能达到要求角度，而且能稳定维持在设定读数。 方案二：选用一定厚度的硬纸板做为帆板，能转到适合角度，但由于重量轻，在达到要求转角好哦偶不够稳定，且在风扇停止后不容易归零。 基于系统采用了聚风装置，解决了风力小，不集中的问题，方案一满足要求，因此采用方案一。 1.4转轴模块的论证与选择 方案一：采用小车轮轴做为转轴，粗细合适，光滑易转动，但长度有限，不好固定，帆板容易碰到支撑杆。 方案二：采用铝制空心圆轴做为转轴，两端增加轴承，转动更灵活，其中一端与角度传感器相连，帆板转动时可以轻松带动传感器转轴一起转动，而且在校准零度的时候，帆板很稳定。 综合比较上述方案，我们选择方案二。 1.5信号检测模块的论证与选择 方案一：选用线性电位器式角度传感器，信号经单片机A/D转换后处理。电位器式传感器的结构简单、精度较高、输出信号大、性能稳定。旋转灵敏，角度测算精确，但电位器有阻力，风扇风力不够时较难通过转轴带动电位器转到要求角度。 方案二：采用MMA7361加速度倾角传感器，输出电压信号经A/D转换后送单片机处理。该传感器体积小，质量轻，低功耗，灵敏度高，但是需要固定在帆板上，供电系统易对帆板自由转动造成影响。 经过测试，加速度倾角传感器装在质量轻的帆板上的角度采样不好控制，测出结果变化范围较大，不够精确。电位器式角度传感器，具有严格的线性关系，测角精度高，输出信号稳定。因此基于高精度和稳定性的选择，采用方案一。 1.6 电机控制模块的论证与选择 方案一：通过单片机控制继电器的通断来控制电机的转动，控制容易，电路简单，但不能实现电机调速。 方案二：通过单片机输出PWM信号来控制电机驱动芯片L298来对电机控制，单片机调节PWM信号来控制L298的输出电压，实现电机转动控制及调速功能。 综合比较采用方案二，系统控制较为容易实现闭环控制，快速实现电机转速调节。 2系统理论分析与计算 2.1风扇控制电路的分析与计算 风扇控制电路通过单片机控制L298来驱动小型直流轴流风扇来实现。单片机产生PWM控制信号来控制L298的输出电压，L298的输出电压大小决定了风扇的转速。风扇电机额定电压12V，额定电流375mA，在PWM100%输出时，L298完全可以满足输出要求。风扇控制电路原理图如图3所示。 图3 风扇控制电路原理图 2.2 角度测量原理的分析与计算 2.2 .1角度测量原理的分析 角度测量原理利用电位器式线性角度传感器阻值变化输出相应电压，该传感器输入基准电压，在输出端输出0～基准电压的电压信号，经过A/D采样转换后输入单片机进行处理，通过一定的算法换算成角度在液晶屏上显示。 2.2.2 角度测量的计算 本设计中采用的角度传感器有30度的死区，因此角度传感器旋转一周可以利用区间为330度；A/D转换采用单片机内置10位A/D，假设转过的角度为θ，A/D采样值为Χ，则角度计算公式如公式1所示： θ=330*Χ/1024 (1) 3电路与程序设计 3.1电路设计 3. 1.1风扇控制电路设计 控制电路通过按键设定帆板转角，单片机通过A/D转换器从角度传感器检测到帆板的实时角度，并与设定角度进行比价，根据比较结果输出PWM控制信号控制风扇电机的转速，即控制风机的出风量来控制帆板的角度。 3.1.2控制算法的分析与计算 该控制算法主要采用闭环控制，通过角度传感器测量的角度θ与设定角度θ0进行比较，单片机根据差值的大小来决定输出PWM的值，PWM值的变化改变风扇电机转速，进而改变帆板转角θ。假设帆板设定转角为θ0，单片机PWM输出为pwm，则单片机PWM输出的计算公式如公式2所示： (当pwm>=100%，pwm=100%） (2) 假设电机转速r与单片机输出PWM信号间的常系数为C，则电机转速与PWM间的关系如公式3所示： （3） 公式1与公式2、公式3构成了闭环的控制系统，控制简图如图4所示。 图 4 系统闭环控制算法简图 3.1.3总体电路图 系统电路图参看附件1. 3.2程序设计 3.2.1程序功能描述与设计思路 本电子设计程序的功能有数字显示帆板转角、转角校零、帆板角度设置等功能，系统具备PWM自动调节功能，能够控制风机，使帆板转角快速达到设定值。 设计思路：帆板固定轴两端采用轴承与支架进行固定，固定轴的一端与角度传感器进行联动，帆板转过多少角度，将带动传感器转过多少角度；角度传感器的输出值通过AD转换送入单片机进行处理，并与设定值比较，根据比较结果单片机产生PWM输出控制信号，控制风机的转速，以此来控制风速，达到帆板运动到设定角度值。 3.2.2程序流程图 主控制程序的软件流程图如图5所示： 图5 主控制程序软件流程图 4.测试方案与测试结果 采用先分别调试各个单元模块，调试后再进行整机调试的方法，提高调试效率。 4.1测试仪器 测试使用的仪器设备如 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1所示。 表1 测试仪器 序号 名称、型号、规格 数量 1 量角器 一把 2 数字万用表（VC9806+） 一台 3 双路稳压电源(GPC30600) 一台 4 台式电脑 一台 5 GDS-1062型数字示波器 一台 4.2测试数据 4.2.1测试数据 表2 间距d=10cm时测量值及其误差和调节时间 设置角度（度） 实际角度(度) 误差(度) 使用时间（S） 10 10 0 4.6 15 14 -1 3.8 20 21 1 3.6 25 25 0 4.4 30 29 1 4.9 35 34 1 4.7 40 41 -1 4.1 45 47 -2 3.6 50 50 0 3.8 55 56 -1 4.8 60 60 0 4.1 表3 间距d=15cm时测量值及其误差和调节时间 设置角度（度） 实际角度(度) 误差(度) 使用时间（S） 10 9 1 3.7 15 13 -2 4.2 20 21 1 2.9 25 24 1 3.4 30 30 0 4.1 35 35 0 4.4 40 41 1 3.8 45 45 0 3.6 50 52 2 4.3 55 56 1 3.2 60 61 1 4.8 4.2.2测试结果分析 1. 根据测试结果得到实际控制达到的角度与设定角度的误差绝对值在2度范围内，达到设计要求。 2. 测试结果中分析，控制系统完成控制，角度稳定到设定值附件所用时间在3.2S～4.9S范围之内，达到设计要求。 3.帆板到达稳定角度之前会出现几次震荡，是由于风机产生的气流在帆板周围瞬间作用力产生的，经过几秒震荡后即可达到稳定状态。 4.电位器式角度传感器由于自身的精度及机械装置的局限，测量精度数量级为度，如果想得到更精确的数量级，可采用高精度传感器，并改进机械装置。 4 _1234567891.unknown _1234567892.vsd � � 初始化 是否校零 是否设定� 校零� 设定� 是否确认� 是否启动� 自动调节� 保持 是否停止� 否 是 否 是 是 是 是 否 否 否 _1234567890.unknown