防灾科技学院
指导教师:彭宏伟 组员:张云博、李孟霖、毕俊新 帆板控制系统(F题
摘要:本设计采用 S T C 89C 52单片机作为帆板控制系统的核心,整个系统由帆板控制器、 D C -D C 降压电路、液晶显示电路、键盘输入电路、直流风扇驱动电路、角度测量电路、声 光提示电路构成。角度传感器 M M A 7361L 将实时采集到的角度数据以模拟电压的形式传递给 模数转换器,经单片机处理后显示在 L C D 12864液晶屏上, 并可通过键盘设定风速和角度, 利用 P W M 对风扇进行调速,实现帆板的姿态调整,当达到设定要求时可进行声光提示,并 且加了入语音播报、风扇距离调节等人性化设计。该系统具有测量准确、控制灵活的优 点。
关键词:S T C 89C 52单片机,角度测量, P W M 直流电机调速, D C -D C 降压 目录
1. 系统方案选择和论证 ...................................................................................... 5 1. 1各模块方案选择和论证 ........................................................................... 5 1. 1. 1控制器方案 ................................................................................ 5 1. 1. 2电源方案 ................................................................................... 5 1. 1. 3风扇驱动方案 . ............................................................................ 6 1. 1. 4角度测量方案 . ............................................................................ 6 1. 1. 5数字显示方案 . ............................................................................ 7 1. 1. 6键盘模块设计方案 ...................................................................... 7
1. 2系统各模块的最终方案 ........................................................................... 8 2.系统的硬件设计与实现 ................................................................................... 8 2. 1系统硬件的基本组成部分 . ....................................................................... 8 2. 1. 1电源电路 ................................................................................... 9 2. 1. 2角度测量电
路 . ............................................................................ 9 2. 1. 3风扇控制电路 . .......................................................................... 10 2. 1. 4单片机外围电路 ....................................................................... 11
2. 1. 5声光提醒电路 . .......................................................................... 12
3. 软件设计与算法分析 .................................................................................... 13 3. 1P W M 电机调速算法 ................................................................................ 13 3. 2角度测量算法 ...................................................................................... 14 3. 3风扇控制算法分析与选择 . ..................................................................... 15
3. 4总体程序流程图 . .................................................................................. 16 4. 系统测试 . .................................................................................................... 18 4. 1测试仪器 . ............................................................................................ 18
4. 2测试数据与分析 . .................................................................................. 18 5. 结论与总结 ................................................................................................ 18 参考文献 . ......................................................................................................... 19附录 1主要元器件清单 . ................................................................................... 19附录 2总体电路图 .......................................................................................... 20
1. 系统方案选择和论证 1. 1各模块方案选择和论证 1. 1. 1控制器方案
根据题目要求,控制器主要用于对倾角传感器传回的数据进行处理,对于 控制器的选择有以下三种方案。
方案一:帆板控制系统采用传统的 S T C 89C 52单片机作为调节装置和风扇控 制的核心。S T C 89C 52单片机具有价格低廉, 使用简单和广泛性特点,并且运算 速度,功能都能满足中端产品开发,另外还可以扩展外围模块。使用 S T C 系列 单片机,该系列单片机是高集成单片机,功能和性能都要比 51系列强大很多, 而且内部集成了内置振荡器和复位,E E P R O M 、A D C 、P W M 、四态 I /O 接口。
方案二:帆板控制系统采用以 A R M 为系统控制器采用 32位 R I S C 微处理 器 A R M 实现调节装置和风扇控制功能的核心,能完成研究题目的要求,但是 A R M 不适合多线程操作,另外应用在系统中会使电路和软件设计变得复杂。
方案三:帆板控制系统采用 F P G A 作为系统控制器核心,因为 F P G A 可以直 接用硬件扫描、编码、解码、纠错,稳定性高、扩展性能好、体积小,可以提 供丰富的逻辑单元和 I /O 资源。具有很强的实时性和准确性。可以实现各种灵 活控制。因此特别适合复杂逻辑电路设计,但 F P G A 的成本偏高。
方案比较结果:
虽然 51单片机处理速度较低,相对于 F P G A 的性能,有一定的不足之处, 但 F P G A 与单片机相比,价格较高,显得大材小用,性价比偏低,而 51单片机 足以满足帆板控制系统的设计需要。
1. 1. 2电源方案
由于电路中各模块需要 18V ,5V ,3. 3V 三种电源进行供电,提出以下两种 方案。
方案一:采用电池组供电。 方案二:自行设计直流降压电路。
电池组难以满足要求,这里我们选择由直流稳压源直接提供风扇所需的 18V 电源,并通过三端稳压芯片 7805和 1117-3. 3实现降压并稳压的双重功 能。
1. 1. 3风扇驱动方案
本设计中使用的风扇为台式计算机的散热风扇,其内部为一个直流电动机 为了控制电机的转速,电机驱动模块是必不可少,其方案有一下两种。
方案一:采用大功率晶体管组合电路构成驱动电路,这种方法结构简单, 成本低、易实现,但由于在驱动电路中采用了大量的晶体管相互连接,使得电 路复杂、抗干扰能力差、可靠性下降,我们知道在实际的生产实践过程中可靠 性是一个非常重要的方面。因此,此中方案不宜采用。
方案二:采用专用的电机驱动芯片,例如 L 298N 、L 297N 等电机驱动芯片, 由于它内部已经考虑到了电路的抗干扰能力,安全、可靠行,所以我们在应用 时只需考虑到芯片的硬件连接、驱动能力等问题就可以了,所以此种方案 的电 路设计简单、抗干扰能力强、可靠性好。设计者不需要对硬件电路设计考虑很 多,可将重点放在算法实现和软件设计中,大大的提高了工作效率。
基于上述理论分析和实际情况,电机驱动模块选用方案二。 1. 1. 4角度测量方案
方案一:采用光电编码器。需在其轴上安装重锤才能进行倾角检测,且进 行小角度测量时需要克服较大的静摩擦力,灵敏度低。
方案二:使用高灵敏度电位器,将电位器的旋转轴固定在帆板的转轴上,当 帆板转动时电位器的转轴也随之转动,此时测量电位器的电压变化即可得到近 似线性的帆板角度变化。
方案三:采用模拟式三轴加速传感器 M M A 7361L 测量帆板转角变化,利用重 力加速度对加速度传感器的影响来测量物体的角度。最终经由 A D C 0804模数转 换器将 M M A 7361L 输出的模拟量角度转换为单片机可以处理的八位数字量,并进 行角度计算。
方案一安装复杂且测量精度不高,方案二虽说可以实现角度的测量,但必 须与帆板的转轴固定在一起,因此会对帆板的转动起到一定的阻碍,降低帆板 的灵活性,案二不但弥补了方案一的缺点,同时灵敏度和分辨率更高,因此选 择方案三。
1. 1. 5数字显示方案
在帆板控制系统中,系统需要对帆板转角、风速等级以及设定角度显示, 因此在整个系统中必须设计一个显示模块,考虑有三种方案:
方案一:使用七段数码管(LE D 显示。数码管具有亮度高、工作电压低、 功耗小、易于集成、驱动简单、耐冲击且性能稳定等特点,并且它可采用 B C D 编码显示数字,编程容易,硬件电路调试简单。但由于在此次设计中需要设定 的参数种类多,而且有些需要进行汉字和字符的显示,所以使用 L E D 显示器不 能完成设计任务,不宜采用。
方案二:采用 L C D 1602液晶显示器,该显示器控制方法简单,功率低、硬 件电路简单、可对字符进行显示,但考虑到 L C D 1602液晶显示器的屏幕小,不 能显示汉字,因此对于需要显示大量参数的系统来说不宜采用。
方案三:采用 L C D 12864液晶显示器,该显示器功率低,驱动方法和硬件连 接电路较上面两种方案复杂,显示屏幕大、可对汉字和字符进行显示。
根据本次设计的设计要求,显示模块选用方案三。 1. 1. 6键盘模块设计方案
在帆板控制系统中,系统需要按键进行参数的输入、工作方式的设定,因 此键盘在整个系统中是不可缺少的一部分,考虑有二种方案:
方案一:采用独立式键盘,这种键盘硬件连接和软件实现简单,并且各按 键相互独立,每个按键均有一端接地,另一端接到输入线上。按键的工作状态 不会影响其它按键上的输入状态。但是由于独立式键盘每个按键需要占用一根 输入口线,所以在