全国大赛帆板控制系统最新.docx
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全国大赛帆板控制系统最新
帆板控制系统
摘要：
报告介绍基于STC89C52单片机的帆板角度控制系统，系统可以利用风扇控制装置对帆板角度进行控制，并通过LCD12864实时显示角度变化。
还可依据设定的帆板角度信息智能控制风扇转速，在很短时间内（5秒以内）动态调整帆板摆角，同时实时显示帆板角度等信息。
系统包括：
单片机主控模块、角度信号采集模块、键盘输入模块、显示模块、电源模块、风扇电机驱动模块。
系统主控模块采用性价比高的单片机最小系统；选用ADXL345加速度传感器完成系统角度信号采集功能；利用LCD12864实时显示角度变化的信息，5*6矩阵键盘完成风力等级和角度设定的输入；系统电源模块采用两路稳压输出电路（5v、15v），提供控制系统与风扇电机的工作电源；风扇电机采用L298N模块驱动。
本系统制作成本较低、工作性能控制稳定，能很好达到设计要求。
关键词：
STC89C52；加速度传感器；LCD12864；L298N
一、引言
单片机又称单片微控制器，单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度等物理量的测量。
本系统就是以单片机为核心建立起来的，要实现对帆板转角大小的控制，其归根就是对风扇的控制，帆板的转角随着风扇风力的变化而变化，角度传感器给单片机不同的角度检测信号，经单片机处理后在LCD液晶上显示，同时给出声光提示。
系统体现了模块化的设计理念，将单片机和各个器件结合在一起，完成系统化的设计，充分发挥了单片机的可靠性、可操作性和强大处理功能。
二、系统方案
（一）方案论证与比较
1、主控电路
【方案一】采用可编程逻辑器件FPGA作为控制器。
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，IO资源丰富，易于进行功能扩展。
但本系统不需要复杂的逻辑功能，且从使用、功耗及经济的角度考虑我们放弃了此方案。
【方案二】STC89C52单片机采用STC89C52单片机作为主控器，其算术功能强，软件编程简洁灵活、自由度大，可用软件编程实现各种逻辑控制功能，且其功耗低、技术成熟，成本低廉。
本系统主要是进行信号的处理以及风扇电机的控制。
综合考虑，本系统设计的功能依靠51单片机均可实现，故采用方案二。
2、角度传感器的选用
【方案一】用UZZ9001Y与KMZ41连接构成一个角度测量系统。
电路组成繁琐，制作较困难，稳定性较差。
【方案二】倾角传感器。
该集成芯片为专用的水平倾角测量芯片，具有体积小、灵敏度高等优点，但是输出为模拟信号，需要用到DA转换，操作间为复杂，且占用I/O口较多，不利于本统功能模块的操作。
【方案三】用ADXL345数字加速度传感器。
ADXL345是一款小而薄的超低功耗的3轴加速度计，可测量帆板在斜面所受重力加速度在斜面上的分量，进而转换成倾斜角，测量精度较高。
ADXL345输出信号为数字信号，避免了A/D转换，操作简单；此外ADXL345只需用到两个I/O口，占用资源少，能满足本设计的要求。
本系统选择了第三种方案。
3、按键选用
【方案一】采用独立键盘。
多个使用时，线路连接不便，操作繁琐。
【方案二】采用5*6的距阵键盘，可输入的值比较多，可设定的功能也多。
在本系统中需要多个键，系统选择了第二种方案。
4、显示
【方案一】使用数码管显示。
要完成功能电路的显示需要多个数码管，此方案占用I/O口多，连接不便，显示效果差，功耗大。
【方案二】用LCD1602液晶显示。
1602是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式，1602分为上下2行，每行显示16个字符。
驱动简单，但不能显示汉字。
【方案三】用LCD12864液晶显示。
LCD12864功能强大，不仅能显示字母、数字、符号，还可以显示汉字和图形，最多可显示4行，每一行最多显示8个中文，16个半宽字体。
（最好选用带字库的，方便编写程序。
）LCD12864和LCD1602使用方法类似，驱动简单，耗电量小，无辐射危险，显示直观、抗干扰能力强，但体积较大。
本系统选择了第三种方案。
5、电机的驱动
【方案一】用分立w元件构成的H桥电路利用分立三极管元件构成的H桥电路结构简单，但驱动能力有限，所带负载不可过大。
【方案二】采用L298N集成H桥芯片。
在L298N集成芯处中集成了两套H桥电路，可直接驱动两路直流电机，利用单片机产生的PWM信号，可方便地进行电机调速。
【方案三】用ULN2003功率放大器件。
ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管w组成。
通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可达到不同的放大的要求，放大后能得到较大的功率。
本系统设计采用方案二。
6、风扇
【方案一】用普通的散热风扇。
风力小，风力流失大，很难达到系统要求。
【方案二】用带通风通道的风扇。
风力集中，流失小，能很好的吹动帆板。
本系统设计采用方案二。
7、电源
【方案一】自制稳压电源。
采用变压器与三端稳压器相结合，使220V电压经变压器变压，降为系统所需电压，过整流桥并利用两个大的电容滤波，从而得到较为稳定的直流电压。
自制电源体积大，需接入220V电压，电压不稳定，使用不方便。
【方案二】三块6V蓄电池串联供电。
直接选用所需型号蓄电池，能量足，供电稳定，高低温适应性强。
本系统选用第二种方案。
（二）总体设计方案
系统功能的实现，以STC89C52单片机为核心，在单片机系统实现的输入输出和显示功能的基础上，由单片机的内置逻辑和运算功能，加上外围电路得以实现。
根据设计任务要求，该电路的总体框图可分为几个基本的模块，总体框图如下图2—1所示：
图2—1总体框图
三、理论分析与计算
（一）距离计算
帆板尺寸：
长15cm，宽10cm。
风扇到帆板的距离：
7~15cm。
本系统帆板转轴直径0.5cm
（二）角度计算
帆板转角：
0~60度。
帆板转角测量原理：
风扇吹动帆板转动，产生帆板角度变化，利用ADXL345数字加速度传感器测出三维坐标x、y、z的变化，将加速度传感器固定在帆板上，从而通过固定y，利用x、z的关系求出角度。
角度θ=（180*atan（tempz/tempx））/3.14。
角度的测量X围是0—90°，可以满足系统要求。
（三）控制算法
首先利用键盘控制风扇的转速，使帆板能够偏转一定的角度，再利用加速度传感器测出帆板的角度，送显示电路显示。
具体控制算法采用C语言编程实现，具体程序代码见附录2。
四、电路与程序设计
（一）硬件设计
1、总体电路图（见附录1）
2、主控电路
系统采用STC89C52单片机构成主控制电路，电路如图4—1所示：
图4—1主控电路
3、风扇控制
风扇电机选用L298N模块驱动，并由4*4按键矩阵控制PWM，改变电机速度，达到控制风扇风力大小的目标。
L298N驱动模块如下图4—2所示：
图4—2风扇控制
4、显示模块
使用LCD12864显示，如下图4—3所示：
图4—3显示模块
5、声光提示模块
图4—4声光提示模块
6、传感器模块
图4—5传感器模块
（二）软件设计
1、风扇控制算法设计
风扇控制算法如下图4—6所示：
图4—6风扇控制算法
2、声光提示算法设计
声光提示算法如下图4—7所示：
图4—7声光提示算法
3、系统流程图
整个系统程序流程图如图4—8所示：
图4—8系统流程图
五、系统测试
（一）测试方法与仪器
利用四位半数字万用表、秒表、量角器等设备通电对系统进行测试。
（二）测试结果
1、功能要求测试
序号
指标（目标值）
实测值
1
显示X围为0-60°，实时显示。
0-66°
2
分辨力为2°，绝对误差≤5°。
分辨1°误差3°
3
使帆板转角θ稳定在45°±5°X围内，制过程在10秒内完成，实时显示θ，并由声光提示
5秒
4
θ在5秒内达到设定值
5秒
表1
2、按键控制风力等级测试
风力等级
角度W
角度W
角度W
0
0°
0°
0°
5
1°
1°
1°
10
9°
10°
11°
15
23°
22°
23°
20
25°
29°
31°
25
37°
37°
39°
30
40°
39°
40°
35
47°
46°
43°
40
49°
49°
51°
45
51°
52°
53°
50
55°
56°
52°
55
55°
57°
54°
60
58°
59°
57°
65
57°
60°
58°
70
60°
62°
59°
75
61°
63°
60°
80
64°
63°
64°
85
65°
64°
65°
90
65°
65°
65°
95
65°
65°
65°
99
66°
66°
66°
表2
（三）测试结果分析
本系统总体性能良好。
但是也有不足的地方，由于帆板摆动大的问题，当系统工作时，影响到转角实际测量的精确性。
这个地方有待改进。
六、设计总结
本方案的系统设计基本符合2011年全国大学生电子设计竞赛试题（F题）的要求。
通过本次设计，深深感到理论与实践之间的差距。
很多知识点在理论上完全理解了，但到具体的电路设计与实现中，会出现很多一时无法理解的问题，要通过不断测试修改软硬件，才能用理论来指导实践，进一步深入理解理论。
参考文献
[1]郭天祥.51单片机C语言教程.：
电子工业，2009年.
[2]阎石.数字电子技术基础（第四版）.:
高等教育，1997年.
[3]李建忠．单片机原理及应用．XX：
XX电子科技大学，2002年．
附录1硬件原理图
附录2程序代码
主函数
/***************************************************************/
#include
#include"control.h"
#include"12864.h"
#include"ADXL.H"
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitkey=P2^7;
voidtimer_init（）
{
TMOD=0X10;
TH1=（65535-100）/256;
TL1=（65535-100）%256;
EA=1;
ET1=1;
TR1=1;
}
voidmain（）
{
chardevid;
timer_init（）;
lcd_12864_init（）;
Init_ADXL345（）;//初始化ADXL345
devid=Single_Read_ADXL345（0X00）;//读出的数据为0XE5,表示正确
while
（1）
{
adxl345（）;
if（key==0）
keyscan_1（）;
else
keyscan（）;
}
}
/***************************************************************/
Controh.H文件
#ifndef__contral_h_
#define__contral_h_
externsignedcharpwm;
externvoiddelayms（unsignedintxms）;
externvoidkeyscan（）;
externvoidkeyscan_1（）;
#endif
/***************************************************************/
Control.C文件
#include
#include"control.h"
#include"12864.h"
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#definekeydataP0
sbitA1=P2^4;
sbitA2=P2^5;
sbitENA=P2^6;
signedintcount=0;
signedcharpwm=0;
signedcharanjian=0;
ucharnumshi=0;
ucharnumge=0;
voiddelayms（unsignedintxms）
{
unsignedinti,j;
for（i=0;ifor（j=0;j<110;j++）;
}
voidpwm_dis（）
{
numshi=pwm/10;
numge=pwm%10;
write_12864_data（0x30+numshi）;
write_12864_data（0x30+numge）;
}
voidanjian_dis（）
{
numshi=anjian/10;
numge=anjian%10;
write_12864_data（0x30+numshi）;
write_12864_data（0x30+numge）;
}
voidkeyscan（）
{
unsignedchardat=0;
unsignedcharnum=0;
keydata=0xfe;
dat=keydata;
dat=dat&0xf0;
while（dat!
=0xf0）
{
delayms（5）;
dat=keydata;
dat=dat&0xf0;
while（dat!
=0xf0）
{
dat=keydata;
switch（dat）
{
case0xee:
num=1;
break;
case0xde:
num=2;
break;
case0xbe:
num=3;
break;
case0x7e:
num=4;
break;
}
while（dat!
=0xf0）
{
dat=keydata;
dat=dat&0xf0;
}
}
}
keydata=0xfd;
dat=keydata;
dat=dat&0xf0;
while（dat!
=0xf0）
{
delayms（5）;
dat=keydata;
dat=dat&0xf0;
while（dat!
=0xf0）
{
dat=keydata;
switch（dat）
{
case0xed:
num=5;
break;
case0xdd:
num=6;
break;
case0xbd:
num=7;
break;
case0x7d:
num=8;
break;
}
while（dat!
=0xf0）
{
dat=keydata;
dat=dat&0xf0;
}
}
}
keydata=0xfb;
dat=keydata;
dat=dat&0xf0;
while（dat!
=0xf0）
{
delayms（5）;
dat=keydata;
dat=dat&0xf0;
while（dat!
=0xf0）
{
dat=keydata;
switch（dat）
{
case0xeb:
num=9;
break;
case0xdb:
num=10;
break;
case0xbb:
num=11;
break;
case0x7b:
num=12;
break;
}
while（dat!
=0xf0）
{
dat=keydata;
dat=dat&0xf0;
}
}
}
keydata=0xf7;
dat=keydata;
dat=dat&0xf0;
while（dat!
=0xf0）
{
delayms（5）;
dat=keydata;
dat=dat&0xf0;
while（dat!
=0xf0）
{
dat=keydata;
switch（dat）
{
case0xe7:
num=13;
break;
case0xd7:
num=14;
break;
case0xb7:
num=15;
break;
case0x77:
num=16;
break;
}
while（dat!
=0xf0）
{
dat=keydata;
dat=dat&0xf0;
}
}
}
switch（num）
{
case1:
write_12864_addr（1,3）;
pwm=0;
pwm_dis（）;
break;
case2:
write_12864_addr（1,3）;
pwm=10;
pwm_dis（）;
break;
case3:
write_12864_addr（1,3）;
pwm=20;
pwm_dis（）;
break;
case4:
write_12864_addr（1,3）;
pwm=30;
pwm_dis（）;
break;
case5:
write_12864_addr（1,3）;
pwm=40;
pwm_dis（）;
break;
case6:
write_12864_addr（1,3）;
pwm=50;
pwm_dis（）;
break;
case7:
write_12864_addr（1,3）;
pwm=60;
pwm_dis（）;
break;
case8:
write_12864_addr（1,3）;
pwm=70;
pwm_dis（）;
break;
case9:
write_12864_addr（1,3）;
pwm=80;
pwm_dis（）;
break;
case10:
write_12864_addr（1,3）;
pwm=90;
pwm_dis（）;
break;
case11:
write_12864_addr（1,3）;
pwm=99;
pwm_dis（）;
break;
case12:
write_12864_addr（1,3）;
pwm=35;
pwm_dis（）;
break;
case13:
write_12864_addr（1,3）;
pwm=pwm+5;
pwm_dis（）;
break;
case14:
write_12864_addr（1,3）;
pwm=pwm-5;
pwm_dis（）;
break;
case15:
write_12864_addr（1,3）;
pwm=pwm+1;
pwm_dis（）;
break;
case16:
write_12864_addr（1,3）;
pwm=pwm-1;
pwm_dis（）;
break;
}
}
voidkeyscan_1（）
{
unsignedchardat=0;
unsignedcharnum=0;
keydata=0xfe;
dat=keydata;
dat=dat&0xf0;
while（dat!
=0xf0）
{
delayms（5）;
dat=keydata;
dat=dat&0xf0;
while（dat!
=0xf0）
{
dat=keydata;
switch（dat）
{
case0xee:
num=1;
break;
case0xde:
num=2;
break;
case0xbe:
num=3;
break;
case0x7e:
num=4;
break;
}
while（dat!
=0xf0）
{
dat=keydata;
dat=dat&0xf0;
}
}
}
keydata=0xfd;
dat=keydata;
dat=dat&0xf0;
while（dat!
=0xf0）
{
delayms（5）;
dat=keydata;
dat=dat&0xf0;
while（dat!
=0xf0）
{
dat=keydata;
switch（dat）
{
case0xed:
num=5;
break;
case0xdd:
num=6;
break;
case0xbd:
num=7;
break;
case0x7d:
num=8;
break;
}
while（dat!
=0xf0）
{
dat=
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