全国大学生电子设计竞赛I题设计报告.docx

全国大学生电子设计竞赛I题设计报告.docx

《全国大学生电子设计竞赛I题设计报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《全国大学生电子设计竞赛I题设计报告.docx（30页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

全国大学生电子设计竞赛I题设计报告

风板控制装置设计报告

作者姓名：

作者班级：

指导老师：

风板控制装置设计要求

一、任务

设计并制作一个风板控制装置。

该装置能通过控制风机的风量来控制风板完成规定动作，风板控制装置参考示意图见图1。

图1风板控制装置参考示意图

二、要求

1．基本要求

（1）预置风板控制角度（控制角度在45°～135°之间设定）。

由起点开始启动装置，控制风板达到预置角度，过渡过程时间不大于10s，控制角度误差不大于5°，在预置角度上的稳定停留时间为5s，误差不大于1s。

动作完成后风板平稳停留在终点位置上；

（2）在45°～135°范围内预置两个角度值（Φ1和Φ2）。

由终点开始启动装置，在10s内控制风板到达第一个预置角度上；然后到达第二个预置角度，在两个预置角度之间做3次摆动，摆动周期不大于5s，摆动幅角误差不大于5°，动作完成后风板平稳停留在起点位置上；

（3）显示风板设置的控制角度。

风板从一个状态转变到另一个状态时应有明显的声光提示。

2．发挥部分

用细线绳将一个重量为10g物体（可以用10g砝码代替），拴在小长尾金属夹的尾端上，小长尾金属夹与重物的总长度不小于50mm，并整体夹在图1所示风板对应位置上。

（1）预置风板控制角度（控制角度在45°～135°之间设定）。

由起点开始启动装置，控制风板达到预置角度，过渡过程时间不大于15s，控制角度误差不大于5°，在预置角度上的稳定停留时间5s，误差不大于1s，最后控制风板平稳停留在终点位置上；

（2）在45°～135°范围内预置两个角度值（Φ1和Φ2）。

由终点开始启动装置，在15s内控制风板到达第一个预置角度上；然后到达第二个预置角度，在两个预置角度之间做4次摆动，摆动周期不大于5s，摆动幅角误差不大于5°，动作完成后风板平稳停留在起点位置上；

（3）其他。

三、说明

1.给出的图1仅作参考，风板的外形尺寸要求为：

高150mm×宽200mm，厚度和制作材料及风板支架的机械连接方式不做限定；风板上除安装风板转动轴、角度指示针和传感器外，不能安装其他任何装置；风机数量和控制风向方式可自行设计确定；可以设置风板起始位置、终点位置的限位装置，限定风板能在与水平线成30°~150°的夹角内摆动；

2.风板的运动状态，都要通过控制风机的风量来完成，不能受机械结构或其它外力的控制。

控制角度误差为实测角度与预置角度之差的绝对值。

风板由静止开始运动到规定控制角度的时间定义为过渡过程时间。

风板从一个状态转变到另一个状态时应有明显的声光提示，声光提示只作为测评计时的参考，以实测数据为准。

摘要

本系统以单片机STC89C52RC为核心，调节直流风机转速实现对风板角度的实时监测、显示和控制。

采用WDD35DC角度传感器来实现对风板角度信号的采集，用STC89C52RC根据角度值输出一定占空比的PWM脉冲波，用L298N作为驱动电路控制风机转速，以达到控制风板角度的目的。

本设计进行了硬件电路搭建和软件编程，给出了系统方案、硬件电路图和软件流程图，并通过软件编程，实现了设计要求的技术指标，并用液晶实时显示风板设定角度和转动角度。

关键词：

STC89C52RC转速角度控制

目录

1．方案设计与论证4

1.1 角度采集方案4

1.2驱动及调速方案4

1.3 系统总体方案5

2.系统硬件电路设计5

2.1单片机STC89C52RC5

2.2角度测量6

2.2.1角度测量原理6

2.2.2角度测量电路6

2.3风机控制模块7

2.3.1控制算法7

2.3.2风机控制电路7

2.4稳压电路设计8

2.5按键显示8

3.系统软件设计9

3.1主程序流程图9

3.2角度测量子程序流程图9

3.3角度控制子程序流程图10

4．系统测试10

4.1测试仪器与方法11

4.2角度测量11

4.3测试结果分析11

5．结论12

参考文献12

附录程序清单12

1．方案设计与论证

本题目是设计并制作一个风板控制系统，通过对风机转速的控制，调节风力的大小，改变风板角度，如图2所示。

图2风板控制系统示意图

根据设计要求，本系统所设计的核心问题主要有：

1、对风机的转速进行快速而准确的控制，以保证风板的角度在控制范围内。

2、为保证系统的精度要求，必须要对风板转动角度进行实时检测。

3、为保证风板在尽可能短的时间内达到预定角度还需要相应的设定及显示电路。

我们分以下几个部分进行方案设计和比较论证。

1.1 角度采集方案

方案一：

采用MMA7455L芯片。

这是一种XYZ三轴微机电加速度计，可测量X、Y、Z三个方向上在工作时的参数，输出为8位或10位的数字量。

可直接与单片机连接。

硬件电路简单，但成本较高，测量数据不稳定，软件程序调试较困难。

方案二：

采用WDD35DC角度传感器。

WDD35DC角度传感器测量范围为-180°～+180°，输出电压为0～5V，输出为模拟量。

此方案硬件电路简单，软件调试简单，精确度高，响应时间快，测量数据稳定。

经过比较，拟选择方案二。

1.2驱动及调速方案

方案一：

采用线性放大驱动方式。

采用L298N作为驱动芯片。

单片机输出数字量，经D/A后转换为连续变化的电压值，经功率驱动后加在直流风扇电机上。

此方式波动小，线性好，对邻近电路干扰小。

但存在效率低和散热等问题。

硬件需要D/A转换器，电路复杂，成本高。

　　方案二：

采用PWM调速。

采用L298N作为驱动芯片。

PWM调速是使加在直流电机两端的电压为方波形式,通过改变方波占空比实现对电机转速调节。

PWM由单片机输出。

L298N芯片内部开关为电子开关，速度很快，稳定性也极强。

此方案电路简单，使用比较方便。

基于上述理论分析和实际情况，拟定选择方案二。

1.3 系统总体方案

图3风板控制系统总体方案框图

根据上述分析，设计出系统总体方案，由WDD35DC角度传感器采集转角信息后送入ADC0804转换，输出的8位数字量送入STC89C52RC中，单片机经分析处理后输出一定占空比的PWM，经L298N功率驱动放大后控制风机转速。

同时可用按键设定风板角度并显示。

风板控制系统总体方案框图如图3所示。

2.系统硬件电路设计

2.1单片机STC89C52RC

本系统采用STC89C52RC作为控制器， 具有8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线。

用于本系统的角度采集控制足够使用。

STC89C52RC的最小系统电路图如图4所示。

图4STC89C52RC最小系统电路图

2.2角度测量

角度测量使用了WDD35D4 角度传感器，其主要性能指标：

1）机械转角:

360°（连续）；2）独立线性精度±0.1%；3）输入与输出均为模拟量的直流电压信号。

2.2.1角度测量原理

在电阻导轨两端连接恒定直流电压，通过电刷在导轨上的移动获得输出，输出电压与位移量成线性关系，其指标用线性度表示，数值越小，精度越高。

采用电阻分压器原理制成的位移传感器可降低对导轨总阻值的精度要求，也降低了传感器对使用环境条件的要求，提高了传感器输出信号的准确性。

2.2.2角度测量电路

WDD35D4 角度传感器其输出电压的大小是由输入电压的大小来决定（如：

输入5V，其整个量程的输出即为：

0-5V；输入10V，其整个量程的输出即为：

0-10V，以此类推）。

为方便控制采用输入5V，输出范围0～5v,故可直接接8位ADC0804进行模数转换，得出数字量送入单片机，接线其中“1”=传感器的零相位，“3”=传感器的输入端，“2”=传感器的输出端。

2.3风机控制模块

风扇转速控制采用PWM调速。

PWM波由单片机输出。

直流风机额定电压为12V，额定电流为0.55A.，驱动芯片选用L298N。

2.3.1控制算法

PWM调速是使加在直流电机两端的电压为方波形式,通过改变方波占空比实现对电机转速调节。

直流电动机PWM调速控制原理图和输入输出电压波形如图6所示。

图6PWM调速控制原理图和电压波形图

图6（a）中，当开关管的驱动信号为高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us。

t1秒后，驱动信号变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。

t2秒后，驱动信号重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。

对应输入电平的高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图6（b）所示。

电动机的电枢绕组两端的电压平均值Uo为：

（式2-2）式中，D为占空比，

占空比D表示了在一个周期T里开关管导通的时间与周期的比值。

D的变化范围为0≤D≤1。

由式2-2可知，当电源电压Us不变的情况下，电枢两端电压的平均值Uo取决于占空比D的大小，改变D值也就改变了电枢两端电压的平均值，从而达到控制电动机转速的目的，即实现PWM调速。

2.3.2风机控制电路

风机额定电压为12V，额定电流为0.55A.，单片机的输出为TTL信号，电流小，所以要加驱动电路。

选用的驱动芯片为L298N。

L298N可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，可以直接用单片机的I/O口提供信号接通电源来调节输出电压；输出电压最高可达DC50V，最大输出功率25W。

风机控制电路图如图7所示。

图7风机控制电路图

2.4稳压电路设计

L298N的额定电压为12V，STC89C52RC的额定电压为5V，WDD35D4 角度传感器的额定电压为5V。

采用LM7805及外围电路制成5V直流稳压电源；LM7812及外围电路制成12V直流稳压电源。

用lm78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

该系列集成稳压IC型号中的lm78后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7805表示输出电压为正5V。

直流稳压电源电路图如图8所示。

图8直流稳压电源电路图

2.5按键显示

本系统设计采用了LCD1602显示，显示屏上可实时显示测量角度和设定角度。

按键共有4个，分别为数值加1键，数值减1键，换位键，确定键。

3.系统软件设计

3.1主程序流程图

本系统软件设计采用C51语言编程，以达到题目要求的控制精度和响应时间。

主要完成角度信号的采集、显示并通过采集信号调节PWM占空比来控制电机电压。

其中，显示模块负责将角度传感器检测到的角度送到LCD进行显示；角度控制模块负责根据按键的输入信息调节PWM占空比，控制电机转速。

图8主程序流程图

3.2角度测量子程序流程图

角度测量子程序流程图如图9所示：

图9角度测量子程序流程图

3.3角度控制子程序流程图

单片机读入设定值X和测量值Y后进行比较，调节占空比改变直流电机电压调节转速，控制帆板角度。

如图10所示。

图10角度控制子程序流程图

4．系统测试

基于设计要求，本系统采用WDD35DC角度传感器采集风板的角度并通过LCD1602显示，还可通过键盘预设转角值。

4.1测试仪器与方法

测试仪器：

量角器1把、秒表1块、直尺1把。

测试方法：

1、测试基本要求

（1）项时，用量角器量出风板角度并与LCD上显示的角度值进行比较，看角度传感器测得的角度是否准确。

2、测试基本要求

（1）项，用量角器量出风板实际角度并与LCD上显示的角度值和按键设定的角度值进行比较，并用秒表记录调节时间，评判其控制性能。

4.2角度测量

（1）用手转动帆板