1、帆板控制系统课程设计设计毕业设计（论文）任务书电子信息工程 系12届应用电子技术专业毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目帆板控制系统课题内容性质理论研究课题来源性质教师收集的结合生产实际的课题论文校内（外）指导教师职 称工作单位及部门联系方式蔺 鹏副教授电子信息工程系Linp210一、题目说明（目的和意义）：本系统仿真帆板控制系统。能够手动控制风扇吹动风帆达到要求角度并能实时显示角度；通过预先设定角度控制风扇吹动风帆达到要求角度并能实时显示角度；对风帆达到某个角度后具有声光报警功能。通过本题目的研究和设计，使学生能够对单片机应用系统的设计方法包括总体方案论证，系统硬件设计和系统软件设计有
2、一个整体的认识。一、任务设计并制作一个帆板控制系统，通过对风扇转速的控制，调节风力大小，改变帆板转角，如图1 所示。图1 帆板控制系统示意图二、要求1、基本要求（1）用手转动帆板时，能够数字显示帆板的转角。显示范围为060，分辨力为2，绝对误差5。（2）当间距d=10cm时，通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角能够在060范围内变化，并要求实时显示。（3）当间距d=10cm时，通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角稳定在455范围内。要求控制过程在10秒内完成，实时显示，并有声光提示，以便进行测试。2、发挥部分（1）当间距d=10cm 时，通过键盘设定帆板转角，其范围为060。要求在5秒内达到设
3、定值，并实时显示。最大误差的绝对值不超过5。（2）间距d 在715cm范围内任意选择，通过键盘设定帆板转角，范围为060。要求在5秒内达到设定值，并实时显示。最大误差的绝对值不超过5。（3）其他摘 要本系统通过调节风扇风速来实现对帆板转角的控制，使帆板的转角能够随风速变化，并且能快速达到设定角度并保持稳定。主要是以STC89C52RC单片机为主控核心，通过键盘设定帆板角度，再由A/D转换器转换数据送至单片机处理后使系统自动达到设定的角度，最后由液晶显示器来显示系统的所有信息。单片机输出PWM脉冲来控制风扇的风速，通过角度传感器测量帆板的旋转角度并反馈至单片机，采用PID控制算法，使系统实现精确
4、控制，然后微调风速的大小使帆板角度达到设定值并稳定。并且在达到设定范围时进行声光报警提示。通过调试，使各项性能指标均达到设计要求，使最终转角绝对值误差不超过5。关键字：STC89C52RC； 液晶显示； 角度传感器；PID算法； A/D转换器AbstractThe system through the adjustment to achieve the board fan speed control of the angle, make the board of the angle change with the wind speed, and can quickly reach a set
5、Angle and remain stable Main STC89C52 microcontroller as the controller is core the keyboard set the board Angle, and then by the A/D converter conversion of data sent to the SCM processing system after the Angel of automatic reach A set, and finally by LCD monitor to show all of the information sys
6、tem Single chip microcomputer to control PWM pulse output the fanswind speed, through the measurement of Angle sensor board rotation Angle and feedback to the single chip microcomputer,PID control algorithm, make accurate control system, and the size of the board to fine-tune wind speed to set data
7、and stable Angle. And in reach a set range for sound and light alarm prompt. Through the debugging,make various performance indicators are to meet the design requirements, make the final angle absolute value error is no more than 5 .Key word: STC89C52RC,Liquid crystal display,Anglesensor,PIDalgorith
8、m , A/D converter 1方案论证与选择1.1 系统的基本组成题目要求设计制作一个帆板控制系统，通过对风扇转速的控制，调节风力大小，改变帆板转角。根据题目要求,本系统可以分为控制部分、信号检测部分和电源部分。控制部分则包括显示模块、按键模块、声光报警模块、风扇驱动模块四个基本部分。信号检测部分为角度测量模块（测量帆板的角度）、A/D转换模块。电源部分则给各部分提供电源，系统图如图1.1所示：图1.1系统总框图1.2 各模块方案论证与选择1.2.1 主控制器选择及论证方案一：采用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器；将所有的器件集成在一块芯片上，这样外围电路较少，控制板的体积
9、小，稳定性高，扩展性能好；而且FPGA采用并行的输入/输出方式，系统处理速度快，再加上FPGA有方便的开发环境和丰富的开发工具等资源可利用，易于调试；但是FPGA得成本偏高，算术运算能力不强，而本设计系统的设计会用到较多算术运算，所以FPGA的高速处理的优势得不到充分体现。方案二：采用DSP作为控制器。DSP具有强大的控制和信号处理能力，片内具有快速RAM和flash。其次有接口方便、编程方便、稳定性好、精度高等优点。本题主要利用处理器控制风扇的转速，数据处理方面要求不高。 方案三：采用Atmel公司的89系列的单片机作为系统的控制器。单片机控制功能强，软件编程灵活，可用软件较简单的实现逻辑控
10、制，并且其成本低，体积小和功耗低等优点，使其在各个领域中应用广泛；另外，在本设计数据量不大的情况下完全可以完成风扇转速的控制。综合比较，本系统采用方案三。1.2.2 角度监测方案比较方案一：采用角度传感器监测。角度传感器SYD35D4线性度为1%，旋转扭矩为，分辨率高，最为关键的是它采用滚珠轴承的机械结构方便与帆板轴承相结合测量角度。SYD35D4 有机械寿命长，分辨率高，转动顺滑，动态噪声小的优良性能。且该方案实现较易。方案二：采用倾角传感器监测。倾角传感器通常可以同时监测X轴、Y轴两个方向的倾斜角度，能够精确测量、跟踪倾斜角的大小和变化。但是测量角度时需要将倾角传感器安装在帆板上，增加了整
11、个帆板装置的重量，同时倾角传感器的精度较高，测量时会将噪声信号带入控制系统，影响角度测量的精度。方案三：采用MMA7260重力加速度传感器，由于加速度传感器在静止放置时受到重力作用，因此会有1g的重力加速度。利用这个性质，通过测量重力加速度在加速度传感器的X轴和Y轴上的分量，可以计算出其在垂直平面上的倾斜角度。根据如图1.2所示，有Ax=gsin，Ay=gcos。则=tan即 =arctan().这样，根据以上原理一个2 轴加速度传感器可以测量在X-Y 平面上的倾斜角度。该方案原理简单，操作方便，但使用起来运算量较大，程序较为复杂，对于单片机来说，处理时太慢且复杂。图1.2 加速度传感器角度测
12、量原理综合比较，本系统采用方案一。1.2.3 风扇控制方案方案一：改变励磁电流调速。在这种调速方法中，随着电动机磁通的减小，转矩相应地降低。通常只有在电动机基速以上调速时才采用这种调速方法。 方案二：改变电枢回路电阻调速。这种调速方法为有级调速，转速变化率大，轻载下很难得到低速，效率低，故这种调速方法很少使用。方案三：采用PWM调速。PWM技术实现数字方式控制模拟信号。它的开关频率较高，快速响应特性好，动态抗干扰能力强，产生的数字脉冲信号稳定可靠。通过选用定频调宽法容易用单片机实现对风扇风速稳定、均匀的控制。综合比较，本系统采用方案三。1.2.4 驱动模块的选择方案一：采用ULN2803在输入
13、5V工作电压下可最大驱动电压50V、电流650mA的负载，风扇运行起来稳定，可靠性强。因此可选用ULN2803构成风扇驱动电路。方案二：采用L298N驱动芯片。L298N芯片是较常用的电机驱动芯片。该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性能，可用单片机的I/O口提供信号，其输出的PWM 脉冲控制直流电机，能够对电机转速的上升与下降进行平滑调节，保证调节过程中本身对风扇的影响最低，但是L298N的发热太快不能长时间工作。方案三：采用大功率三极管，二极管，电阻电容等元件。用上述元件搭建两个H桥，通过对各路信号放大来驱动电机，原理简单。但由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功
14、率较大时运行起来会不稳定，很难精确控制。 综合比较，本系统采用方案一。1.2.5 显示模块的选择方案一：用LED 显示，优点亮度高、成本低，易于单片机编程，但是显示时占用I/O口多，显示信息量不足。方案二：采用LCD_12864液晶显示，功耗低、无辐射显示稳定、抗干扰能力强，编程控制简单，使用方便，显示信息能力强等特点，且分行显示能够清晰的看清系统所运行的所有信息。方案三：采用LCD-1602液晶显示，其显示是采用背光照亮，对人眼损害很弱，再次LCD又是一种节能灯，功耗小，使用寿命长等优点，不需要外加蕊片组合，可以直接与单片机连接。单片机可以通过软件编程，来实现对液晶的显示的控制与设定。使用起
15、来十分方便，但是此系统设计显示的内容较多，用LCD1602显示不完整。考虑到本设计的要求，我们选择方案二。1.2.6 电源模块的选择使用交流电220v供电，搭建独立电源模块，经变压器变压后，再用7812、7805芯片进行稳压。5V电源为单片机及其他传感器、显示屏等模块供电。使用220v交流电不仅能保证电量充足，而且相对于干电池有恒定的电压和电流。容易完成本设计的要求。所以我们采用此方案。1.2.7 A/D转换模块的选择方案一：TLC1543美国TI司生产的多通道10位模数转换器。采用串行通信接口，具有输入通道多、性价比高、易于和单片机接口的特点，可广泛应用于各种数据采集系统 ,但其AD转换精度不能满足该系统对帆板角度的准确测量。方案二：采用8位的A/D转换器MAX1113构成A/D转换电路。采用单一的5V电源供电，性价比高、易于与单片机接口连接，但是我们对此芯片原理不够熟悉。方案三：ADC0804是属于连续渐进式（Successive Approximation Method）的A/D转换器，它是8位，即分辨率为1/256，转换值介于0255之间，采用单一的5V电源供电。这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。根据本设计的要求和我
