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1.2方案论证与比较4
1.2.1主控制器模块方案4
1.2.2电磁线圈驱动模块5
1.2.3角度传感器模块方案5
1.2.4显示模块方案6
二、理论分析与计算6
2.1电磁控制分析与计算6
2.2角度测量原理分析与计算7
三、系统电路设计8
3.1最小系统电路设计8
3.2电磁控制及L298驱动电路模块9
3.3角度测量模块10
3.4键盘设定模块10
3.5LCD12864显示模块11
3.6声光提示模块11
3.7总体电路设计11
四、系统程序设计12
4.1程序功能简介12
4.2主函数流程图13
五、测试方案与测试结果13
5.1测试仪器13
5.2测试方法及数据14
5.2.1基本部分14
5.2.2发挥部分15
5.3测试结果分析16
参考文献：
17
附录1：
主要元器件清单17
附录2：
电路原理图及PCB图18
2.1电路原理图18
2.2印制板图18
一、系统方案
1.1系统组成
根据题目要求，本系统系统设计主要包括五大部分：
角度测量模块、显示模块、电磁控制模块、键盘设定模块和声光提示模块。
系统构成如图1，下面对各部分进行方案论证。
图1系统框图
1.2方案论证与比较
1.2.1主控制器模块方案
方案一：
采用AT89S52单片机作为主控芯片。
优点：
AT89S52是一种低功耗，高性能的COMS8位微控制器。
作为一种比较成熟的单片机型号，广泛的应用于各领域，技术比较成熟，价格相对便宜。
缺点：
其内部集成资源偏少，功能不够强大，中断源和定时器较少。
方案二：
采用ATmega64单片机作为主控芯片。
AVR是高速嵌入式单片机，具有高速、低耗、保密的优点。
其内部集成资源丰富，具有功能强大的定时/计数器和A/D转换功能及通讯接口。
考虑到项目的实际需求和可操作性，本系统选用AVR系列中的ATmega64作为主控芯片。
1.2.2电磁线圈驱动模块
采用线性调节器MAX6639驱动电磁线圈。
MAX6639能提供0.5~1.5A的电流，可满足绝大部分线圈控制的需求且成本低廉。
但电路中需要引入RC滤波电路对PWM输出进行平滑处理,然后经过一个运放缓冲或外部调节器对电流进行放大。
这种方案原理上是可行的，但是如果没有额外的保护将很容易造成电路损坏，电磁线圈一旦短路就会损坏整个电路。
采用L298驱动电磁线圈。
L298是一款高压、大电流双全桥式驱动器，可以直接通过电源来调节输出电压，具有输出电压高（最高可达50V），可靠性高，占用空间小等特点。
该芯片可以直接受控于单片机IO口提供的信号。
因此，电路简单，控制方便。
综上所述，本系统的电机驱动模块选用方案二。
1.2.3角度传感器模块方案
采用WDD35D4-5k角度传感器与高精度AD芯片构成的测量电路实现。
WDD35D4-5k其实质是一个360°
连续可调的精密电阻，其线性度为独立达0.1%。
该方案将待测倾斜角的变化转化为WDD35D4-5k的电阻的滑动，原理简单，且角度分辨率高。
但WDD35D4-5k角度传感器体积大，不便于安装固定，测量的灵活性不高。
采用霍尔传感器来进行测量角度。
该传感器测量角度的原理是在待测旋转物体的轴上装一个小圆盘，圆盘上粘有磁珠，磁珠越多精确度越高，霍尔传感器则垂直磁珠安放在圆盘外，为了确定轴转动方向，可以采用2个或多个霍尔传感器。
测量角度时，每当一个磁珠转过霍尔传感器时，就会引起磁场的变化，传感器便输出一个脉冲，通过计算脉冲的个数，即可确定旋转体转过的角度。
方案虽然能够测出物体转动的角度，但需要大量的磁珠和霍尔传感器，安装困难，不适合本系统。
方案三：
采用MMA7455数字加速度传感器模块进行角度测量。
MMA7455是一款数字输出（I2C/SPI）、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度计，具有信号调理、低通滤波、温度补偿、自测、可配置通过中断引脚检测0g、以及脉冲信号检测（用于快速运动检测），灵敏度64LSB/g@2g/8g10位模式等功能。
该模块输出精确，体积小，工作可靠，输出为数字量等特点。
综上所述，角度测量模块方案采用方案三来实现。
1.2.4显示模块方案
采用数码管显示。
该方案具有显示清晰、价格较低、方便易行、但外部电路复杂，占用I/O资源较多，显示信息单一，只能显示数字和少量字母，动态扫描则需循环刷新数码管，占用更多的程序存储空间。
采用LCD1602显示。
并口传输速度快，内部集成有显示芯片，可以识别英文字母、阿拉伯数字和日语片假名，但是不能显示汉字。
使用控制为ST7920的12864汉字图形点阵液晶显示。
5V电压驱动，带背光，内置8192个16*16点阵、128个字符（8*16点阵）及64*256点阵显示RAM（GDRAM）。
与外部CPU接口采用并行或串行两种控制方式。
该方案可以显示汉字及图片，写程序简单；
具有驱动电压低；
功耗小、显示直观大方等特点。
本设计采用LCD12864液晶显示。
二、理论分析与计算
2.1电磁控制分析与计算
电磁控制电路应用了PWM脉冲宽度调制原理，通过PWM信号控制电磁的电压。
其通断频率很高，基本觉察不到，因而起到了类似调电流得到的摆杆摇摆的效果。
本系统的电磁控制电路的主要组成包括：
PWM信号发生、L298驱动电路。
由Atmega64内部T/C2产生的固定的8位精度的PWM波作为驱动芯片L298的输入信号，通过L298控制电磁的通电情况来调节摆杆角度。
电磁控制电路的基本框图如图2。
图2电磁控制电路框图
PWM脉冲宽度调制原理：
PWM是高低电平占空比不同的连续的方波。
图3为典型的PWM脉宽调整波形。
图中：
T是PWM波的周期；
T1是高电平宽度；
T1/T称为PWM波的占空比。
调节和改变T1的宽度，即可改变PWM的占空比。
当该PWM波通过一个积分器后，可以得到其输出的平均电压为：
调节电压控制和控制放大电路的通断都可改变电磁的磁场强度。
本系统选择后者，即控制设备的通电情况来调节磁场强度。
图3典型的PWM波
Vcc
2.2角度测量原理分析与计算
本系统角度测量利用的原理是重力加速度计转换成倾斜角的基本原理：
即当加速度计倾斜角与加速度计3轴输出成一定对应关系。
已知传感器的加速度大小，由两者的关系可以求出倾斜角。
MMA7455是应用于倾斜检测的3轴加速度计。
将MMA7455加速度测量模块固定在帆板上，并使之与帆板平行。
当帆板倾斜角发生变化时，MMA7455输出的加速度发生相应变化。
根据题目要求，摆板倾斜角变化范围为10°
~45°
，且对分辨率的要求不是很高，所以我们可以采用单轴（z轴）倾斜计算法来计算帆板的偏转角度。
根据基本三角定理有：
Z轴方向的重力投影等于重力的正弦分量。
在本题目中，摆板倾斜角与z轴输出加速度的关系如图F-1-4所示。
即：
所以，
（a为弧度数）
将弧度转为角度的基本公式为：
角度数=180°
÷
π×
弧度数
即有：
图4重力加速度测量原理图
三、系统电路设计
3.1最小系统电路设计
AVR最小系统由ATmega64单片机（图5），ISP下载端口，晶振，复位电路及电源组成。
ATmega64是基于增强的AVRRISC结构低功耗8位CMOS微控制器，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器、2路8位PWM及6路分辨率可编程（2到16位）的PWM。
数据吞吐率高达1MIPS/Mhz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾，具有处理速度快、高性能、低功耗等特点。
图5
3.2电磁控制及L298驱动电路模块
该电路为L298的接线电路（如图6）。
本电路使能端（ENA和ENB）接高电平，通过控制输入IN1，IN2和IN3，IN4来控制电机。
L298可以驱动两个电机，OUT1，OUT2为一个输出组，OUT3，OUT4为另一个输出组。
本系统只要驱动一个电磁线圈，只要用到一个输出组。
IN1，IN2控制OUT1，OUT2的输入电平。
本系统将单片机产生的PWM波接电磁线圈的两端，使得用PWM来控制IN1和IN2。
所以，PWM占空比不同，电磁周围的磁场强度也不一样。
图6
3.3角度测量模块
MMA7455是数字输出（如图7），有iic和spi两种总线可选，内部有AD，与主控芯片连接好，当改变传感器的倾斜角度会触发中断并向主控芯片发送变化的数据，主控芯片可以通过读取MMA7455不同寄存器的值来确定角度的改变。
如图7
3.4键盘模块（如图8）
图8
3.5LCD12864显示模块（如图9）
图9
3.6声光提示模块（如图10）
图10
3.7总体电路设计
本系统整体电路（如图11）设计包括的主要模块有：
单片机最小系统电路设计，L298驱动电路设计，独立按键电路设计，LCD12864液晶接线模块，MMA7455角度测量模块、声光显示模块等。
下图为系统的整体电路。
图11
四、系统程序设计
4.1程序功能简介
为方便调试，系统程序分模块进行调试。
系统程序设计的主要模块包括：
电磁驱动模块程序，角度测量模块程序，LCD12864液晶显示模块程序及声光提示模块程序等。
4.2主函数流程图（如图12）
图12
五、测试方案与测试结果
5.1测试仪器
测试所需测量仪器如下：
①铜箔线、若干；
280mm长铁棍一根。
②自制长方体测试系统：
1个，长300mm，宽240mm，高140mm的电磁控制装置。
另加一根长为150mm的圆柱支架固定在与电磁控制装置盒垂直的指定位置，支架顶部贴上一个量角器，并安装个摆杆，摆杆底部，固定一块磁铁。
5.2测试方法及数据
5.2.1基本部分
（1）基础部分第一项
测试方法：
按下启动按键，由静止点开始，摆杆开始摆动。
测试数据：
启动按键按下，摆杆由静点开始摆动。
（2）基础部分第二项
由静止点开始，用按键设定摆杆指定的角度，摆杆在指定的角度连续摆动。
随机抽取角度10°
、15°
、18°
、22°
、30°
、35°
、38°
、45°
为摆杆的指定角度进行功能检测。
测试数据如下表1：
表1系统测试数据一览表
设定角度a
测量值波动范围
测量值
10°
8°
~12°
30°
28°
~32°
15°
13°
~16°
35°
34°
~36°
18°
~22°
38°
36°
~39°
22°
20°
~23°
45°
44°
~48°
测量角度与摆杆指定的角度几乎相等，达到题目摆中动摆角绝对误差≤5°
要求，液晶显示正常。
（3）/*基础部分第三项
由静止点开始，用按键设定摆杆指定的周期，摆杆在指定周期范围内连续摆动。
测量周期与摆杆指定的角度
相等，液晶显示正常。
*/
（4）基础部分第四项
摆杆连续摆动的情况下，按下停止按键，摆杆停在静止点上。
测试摆杆在不同角度停止需要时间（如表2）
表2系统测试数据一览表
检测次数
摆角角度（°
）
停止用时（S）
1
10
2
15
3
25
5
4
35
7
45
8
启动停止，摆杆在10°
都能在<
10s的时间内平稳的停止在静止点上，通过上表测量数据，确定基本部分4达标。
5.2.2发挥部分
（1）发挥部分第一项
摆杆摆角幅度在0°
范围内预置，预置步进值为5°
，然后取预置角度值分别为10°
、20°
、25°
、40°
进行检测。
测试数据如表3：
表3系统测试数据一览表
预置角度
实际测量值
误差值（°
响应时间（S）
11
20
22
26
30
29
6
37
40
41
（2）发挥部分第二项
测试方法：
摆杆周期在0.5s~2s范围内预置，预置步进值为0.5°
，然后取预置角度值分别为0.5s、1.0s、1.5s、2.0s进行检测。
测试数据如表4：
表4系统测试数据一览表
预置周期
实际周期
误差值（s）
0.5
0.52
0.02
1.0
0.98
1.5
1.53
0.03
2.0
2.04
0.04
5.3测试结果分析
通过测试结果分析可以发现，本系统实现了基础部分要求的所有功能，满足设计要求的各项指标，而且精度高。
对于发挥部分，系统亦能实现键盘设定，间距任意选择等大部分功能。
且自由发挥部分的软硬件功能也都成功实现，但其不足点在于系统不能满足发挥部分的精度要求，绝对误差比要求值偏大一点点。
具体测试结果分析见表5。
表5测试0结果分析一览000000000表
测试项名称
题目要求
本系统所达指标
基础部分
第一项
控制摆杆摆动
Lcd12864显示转角及系统状态
第二项
控制摆杆在（10°
-45°
）指定的摆脚
实现
实时显示转角
第三项
声光提示
蜂鸣器鸣响提示操作完成
LED闪光提示操作完成
第四项
控制摆杆平稳地停在静止点上
5~8秒
发挥部分
预置步进值为5°
达标
误差值≤3°
0~2
响应时间≤10s
2~8s
预置步进值0.5s
周期绝对误差值≤
0.1s
0.01~0.04
3~8s
摆杆稳定运
行20秒后发出声光提示
[1]三恒星科技编著.AVR单片机原理与应用实例.北京：
电子工业出版社，2009.7
[2]张军、宋涛编著.AVR单片机C语言程序设计实例精粹.北京：
电子工业出版社
[3]周兴华编著.AVR单片机C语言高级编程技术设计.北京航空航天大学出版社
主要元器件清单（如表6）
表6
序号
名称
型号
规格
数量
单位
备注
单片机
ATmega64
片
LCD12864
基于ST7920
DIP20
块
电机驱动芯片
L298
个
加速度模块
MMA7455
有源蜂鸣器
5V
电解电容
10uF
16V
220uF
25V
发光二极管
红
9
红外接收管
1838
DIP
铁柱
28cm长
根
漆包线
捆
电路原理图及PCB图
1.1电路原理图
1.2印制板图
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