大学生电子设计大赛报告.docx
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大学生电子设计大赛报告
目录
摘要2
1.方案的设计与论证3
1.1总体方案设计的描述3
1.2主要模块论证3
1.2.1主控模块比较与选择3
1.2.2电源模块的比较及选择4
1.2.3角度测量模块的比较与选择4
1.2.4驱动模块的比较与选择5
1.2.5电磁的设计5
2系统电路总体设计6
2.1电源电路6
2.2角度传感器原理6
2.3驱动电路7
2.4电磁控制电路8
2.4.1电磁设计制作8
3程序控制及算法12
3.1程序流程图12
4测试方案与结果13
5结论14
参考文献16
附录：
17
附录1：
17
附录2：
18
附录3：
控制源程序代码19
电磁控制运动装置
摘要
设计了一个基于STC12C5A60S2单片机控制的电磁运动装置，采用控制PWM的调制方式改变电流的大小，从而实现对电磁的控制，用角度传感器MMA7361测试摆杆的所摆的角度，从而来控制电磁的工作来控制摆杆的角度，并且通过LCD1602液晶显示器显示其角度，摆杆连续摆动角度不超过45°，绝对误差≤5°，摆杆周期可通过矩阵按键进行设计，能够实现指定周期内，摆杆的连续摆动。
控制的硬件上采用IRF2104驱动芯片和IRF840场效应管作为电磁的驱动，构成半桥驱动，将控制简单化，满足任务要求。
关键词：
STC12C5A60S2、PWM、角度传感器、IRF2104
DesignedaSTC12C5A60S2basedonsingle-chipmicrocomputercontrolofelectromagneticmovementdevice,changethesizeofthecurrentcontrolPWMmodulationway,soastorealizethecontrolofelectromagnetic,withAnglesensorMMA7361testpendulumAngleofswingingrod,thustocontrolelectromagneticworktocontroltheAngleofswingingrod,andthroughLCD1602LCDdisplayshowsitspointofview,theswingingrodcontinuousoscillatingAngleislessthan45°,5°orlessabsoluteerror,swingingrodcyclecanbedesignedthroughmatrixkey,canbeachievedwithinthespecifiedperiod,thecontinuousoscillationsofthependulumrod.ControlhardwareadoptsIRF2104drivechipandIRF840fieldeffecttubeaselectromagneticdriver,ahalfbridgedriver,willcontrolsimplification,meetthemissionrequirements.
Keywords:
STC12C5A60S2、PWM、Anglesensor、IRF2104
1.方案的设计与论证
1.1总体方案设计的描述
题目要求设计并制作一个电磁运动控制装置，通过电磁铁的原理，利用单片机来实现摆杆的连续摆动，根据题目的要求得到初步方案如下：
图1系统框图
总体方案描述：
当用手摆动摆杆时，显示器显示当前摆动的角度，当按键给单片机系统发送指令时，摆杆开始自动摆动直至摆杆摆动角度达到45°时，电磁驱动电路暂时停止，时摆杆处于单摆运动状态，当角度传感器低于45°时，电磁驱动电路重新开始工作促使摆杆角度达到45°。
通过矩阵按键可以设置摆杆每次摆动的步进度数以及摆杆摆动的周期，当摆杆开始工作20秒后，声光报警电路发出声光提示。
1.2主要模块论证
1.2.1主控模块比较与选择
方案1：
采用FPGA为系统的控制器，FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，模块大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能控制。
FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。
通过输入模块将参数输入给FPGA，FPGA通过程序设计控制电磁运动，但是由于本设计对数据处理的时间要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。
方案2：
采用AT89S52单片机。
AT89S52是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个4K字节的Flash可编程可擦除只读存储器（PEROM），它采用了COMS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚都与MSC-51兼容。
片内存储器允许使用编程器来编程，读写次数可达十万次。
AT89S52单片机工作的最小系统非常简单，外加复位电路，震荡电路，再提供5V电源即可让单片机工作。
方案3：
采用STC12C5A60S2单片机。
STC12C5A60S2是高速/低功耗/超抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8~12倍。
内部集成了MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），主要用在对电机控制、干扰场合。
针对题目要求，设计中要求对电磁运动装置进行控制，并需要较强的算术运算能力，故选择方案3。
1.2.2电源模块的比较及选择
方案1：
采用X78XX系列的三端稳压电路。
它的封装是TOP-220，它是一系列固定的电压输出，每种类型内部都有电流的限制，以及过热保护和安全工作区保护，其最大的输出电流1.5A，输出电压为5V;6V;8V;9V;10V;12V;15V;18V;24V,
方案2：
采用LM2596开关电压调节器，LM2596开关电压调节器时降压型的电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流同时具有很好的线性和负载调节特性，固定输出有3.3V;5V;12。
其线性输出性好，且负载可调节，具有限流和过热保护，功耗小效率高，外围电路简单
综合本次题目的设计需要，自制的电磁铁所需要的电流较大，78系列的稳压芯片达不到要求，故选用方案2。
1.2.3角度测量模块的比较与选择
方案1：
角度传感器KMZ41模块。
角度传感器KMZ41与信号调理芯片UZZ9001组成角度采集模块，KMZ41与信号调理芯片UZZ9001一起,能够对180°范围内的角度信号进行测量,并利用SPI方式提供11位的角度信号输出，但此需要外加很多的电路才得以实现，相对来说比较复杂。
方案2：
WDD35D-4型角度传感器模块。
WDD35D-4型角度传感器为一个5千欧的精密电位器，故其输出为模拟信号。
其旋钮的旋转角度与其电阻值呈线性变化，独立线性刻度为0.1%，具有3600的机械转角和3450电气转角。
方案3：
MM7361角度传感器模块。
MMA7361LC是低功耗、低轮廓电容、微机械型加速度计，具有信号调节，一级低通滤波器具有温度补偿，自我测试，0g-Detect检测线性自由落体，G-Select允许选择两种的敏感度。
零偏移和灵敏度是出厂设置，不需要外围设备。
故选择使用现有的MMA7361型角度传感器模块。
1.2.4驱动模块的比较与选择
方案1：
采用L9110H驱动电路。
L9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路，能将分离的两路集成在单片机IC中，使外围电路简单，设计成本降低，整机可靠性提高，该芯片具有较好的抗干扰能力，每个通道通过的持续电流为750~800mA。
峰值电流可达1.5A~2.0A；但其电流较低，不符合本次设计。
方案2：
采用L298N驱动电路。
L298N时ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片，该芯片采用15脚封装，主要特点是，工作电压高，最高工作电压可达46B；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A，额定功率25W。
其内部含有两个H桥高压全桥式驱动器，能够实现PWM脉宽平滑调制，可实现正反转，但其内阻较大,功率较大，对电路的损耗较大，故不采用。
方案3：
采用IRF2104驱动芯片+IRF840N。
IRF2104是一款半桥驱动芯片，其参考电压高达600V，可以同相或反相驱动，搭配IRF840N构成一个完整的驱动电路，IRF840N是增强型N沟道MOSFET管，其最大工作电压500V。
最大工作电流32A，工作温度在-65℃~150℃。
内阻极小，管耗小，该MOS管的击穿电压可达1200V。
集电极最大饱和电流超过1500A。
综合上述方案考虑，要使电源能够成功的驱动电磁铁开始工作，所需要的电流较大，管耗必然也要较小，总合考虑，故选用方案3.
1.2.5电磁的设计
方案1：
利用磁棒作为电磁的中心轴，在磁棒上绕均匀分布等量的漆包线，通电后使之产生强磁力。
方案2：
利用E型硅钢片，在E型硅钢片的中间轴绕上均匀分布数量一定的漆包线，通电后使其产生一个回路的磁场，从而产生磁力。
经过实际比对，发现E型硅钢片的磁性远胜于磁棒，故选择方案2,在长宽1cm的硅钢片绕制0.23mm的漆包线500匝.2硬件电路设计与分析
1.2.6语音模块分析比较
方案1：
使用ISD1820。
ISD1820是美国ISD公司于2001年推出的一种单片8~20秒单段语音录放电路。
它的基本结构于ISD1110\1420完全相同，采用COMS技术，内含振荡器，话筒前置放大，自动增益控制，防混淆滤波器，扬声器驱动以及flash阵列。
方案2：
使用ISD1720。
ISD1700系列芯片是Winbond推出的单片优质语音录放电路，该芯片提供多项新功能，包括内置专利的多信息管理系统，新信息提示（valert）,双运作模式（独立&嵌入式），以及可定制的信息操作指示音效，芯片内部包含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等全方位整合系统功能。
其特点是支持PWM和AUD/AUX三种放心输出方式。
综合考虑，依据本次题目需要，决定选用方案2。
2系统电路总体设计
经过上诉各个模块的电路比较与选择，得到了最终的系统方案：
系统主要有单片机STC12C5A60S2、MMA7361型角度传感器、LCD1602显示屏、LM2596稳压电源模块、IRF840N驱动电路和E型硅钢片组成完整的电磁控制运动装置。
总体设计框图见附录一；
2.1电源电路
此自制电源先接入一个220V/17.5V变压电源，将电压变成17.5V的输出，17.5V经过整流桥堆将交流变直流，再用电容搭建一个滤波电路将直流电变成一个更为恒定的直流电，在分别经过两块LM2596稳压芯片，分别输出12V和5V的直流稳压电留，电源电路如图所示：
图2电源电路
2.2角度传感器原理
当传感器转动时，重力（垂直）和传感器转轴之间的夹角就是倾斜角，在此过程中，由倾角传感器结合PWM波进行分段控制，即分别根据距离和角度进行脉宽调整。
在进行角度调整时根据角度进行控制，角度越小，控制脉宽越小，直到检测角度在±1°范围内，认为其处于平衡状态。
用以下转换公式，模拟输出量能转换成角度。
其中，VOUT为倾角传感器输出脚模拟电压，offset是设备在0g位置时的电压输出（一般输出值为2.5v），Sensitivity是设备的灵敏度（通常灵敏度为2v/g）。
为得到最好的精确度，应当用实际输出值代替通常值。
2.3驱动电路
控制系统的硬件以STC12C5A60S2为核心，IR2014结合IRF840N作为驱动电磁电路，IRF840N在电路中相当于开关作用，当电源接通后，IRF2104的IN信号输入端接单片机控制，当给出高电平（PWM）信号时，信号输出端H0输出高电平，IRF840N导通，电磁通电，形成磁场。
当给出低电平时，IRF840N截止，电磁不通电。
2.4电磁控制电路
2.4.1电磁设计制作
电磁铁是一种执行元件，它输入的是电能，输出的是机械能。
电能和机械能的变换是通过具体的电磁铁结构来实现的。
在本次题目要求中，电磁作为本次题目最终的实现要求的重要动力，对其的设计要相对的准确，首先是线圈的匝数：
磁势F=NI,电流和匝数的乘积（A）
确定匝数后要计算出其磁通量以及磁势：
磁通Φ=
制作电磁铁使用的是E型硅钢片，可以最大效率的利用E型硅钢片的结构特点，发挥其最大的优势。
磁感应强度的定义式B=
，磁感应强度与力的关系
磁场强度H=
（A/m），建立了电流和磁场的关系
磁导率
=
建立了磁场强度和磁感应强度（磁通密度）的关系。
0=4π×10-7
享/米相对磁导率
r=
8、磁效率
当电磁铁接上电源，磁力还不足克服反力，按0～2的直线进行磁化，达到期初始工作点2。
当磁力克服反力使气隙减小直至为零时，工作点由2～3。
断电后工作点由3～0。
面积Ⅰ为断电后剩留的能量，面积Ⅱ为作功前电磁铁储存的能量，面积Ⅲ为电磁铁作的功。
目的是使Ⅰ和Ⅱ的面积最小，Ⅲ的面积最大。
面积Ⅰ表示电磁铁作完功后的剩磁，
（1）减小面积Ⅰ可用矫顽力小的电铁。
（2）提高制造精度，使吸合后气隙最小，但要防止衔铁粘住。
面积Ⅱ表示作功前所储存的能量，在衔铁位置一定时，取决于漏磁通，漏磁通大，面积Ⅱ就大。
利用电磁铁的吸合时间来控制摆杆摆动
接通电源后，电磁铁从网络吸收能量，这个能量部分变成线圈的发热消耗，另一部分用来建立磁场，当电流达到稳定值后，磁场的能量不再增加，电磁铁从电源吸收的能量全部消耗于线圈子的发热上，磁场的能量用来产生吸力和作功
最后利用线圈磁势来确定所绕线圈的磁势：
F∑=IW
线圈电流：
I=
2.5按键输入模块和声光提示模块
系统使用键盘输入数据，采用了3x4的12个按键矩阵键盘，这样可以省出很多I/O口，以进行功能设置。
其中将两个按键赋予加减1的值，并设定一个确定键和一个取消键，根据题目要求，设定一个可以调节摆动周期的键。
当需要设置角度时，可以直接按按键上的数字进行确定；当要分段设置角度时，要加速时就按加档键，减速时就按另一个减档键。
当手动设定角度后，若摆杆摆动到预定的角度±3°范围内时就发出声光提示，或当摆杆开始稳定工作20秒后发出声光提示。
按键电路及声光电路如图所示：
2.6显示模块的设计与分析
LCD1602液晶屏是16*2的字符型液晶，共16个引脚,可以显示英文26个字母的大小写，阿拉伯数字0~9，及一些简单的符号。
使用时将单片机的8根数据线与LCD模块的数据线一一对应相接,并将LCD模块的控制线与单片机相连。
在LCD显示模块上加上工作电压和背光工作电压,当整个系统工作时,测得的实时角度值就可通过单片机的采集计算转换在LCD模块上动态显示出来。
该液晶屏操作简单，显示功能强大，完全能共满足本设计系统的需要，是一种比较理想的选择。
在本设计中LCD1602上分别显示设定角度、实际角度、调速档位。
本设计连接电路图如下图6所示。
2.7语音播报模块设计
通过语音拷贝机将“0-9”音、“十”“度”等十二段语音录入ISD1720语音芯片的地址，单片机通过SPI指令对语音进行读取播放，从而实现实时随机播放单摆设定的角度值等信息。
当使用按键设定角度或周期时，语音播报启动，将根据设定的数值播报出来。
3程序控制及算法
3.1程序流程图
4测试方案与结果
4.1测试使用的仪器设备
表4-1测试所使用的仪器设备
序号
名称、规格、型号
数量
备注
1
数字万用表
1
数字式
2
直流稳压电源
1
4.2测试方案与条件
按照题目的要求，要使得摆杆的摆动角度在设定值得范围内做连续单摆运动，依据此要求，设定最小摆角为10°最大为45°的摆角，在从中取任意三个随机值：
15°、20°、35°，测试其在设定值后的连续摆动是否一直保持在设定的数值内，且每次摆角的误差不≤5°，响应时间不≤15秒。
当按下停止按键时，停止时间不超过10s,指定周期内误差不≤0.2s。
为了更好的测试其完成情况，我们特意在测试时将变压器放在其周围，看是否能够抵抗磁场干扰。
4.3测试数据
测试方案我们选择的是通过多次测量分析摆杆角度设定值与实测值的差别，经过反复测量得出下表：
表4-2角度设定测试数据
设定角度值
实际角度值
绝对误差
（±5°）
响应时间
（≤15s）
停止时间
（≤10s）
测试1（10°）
11°
1
5
3
测试2（15°）
18°
3
6
4
测试3（30°）
33°
3
8
5
测试4（35°）
38°
3
10
6
测试5（45°）
41°
4
12
7
表4-2周期设定测试数据
角度
设定周期
实际周期
绝对误差
15
0.5S
0.7S
0.2
1S
1.1S
0.1
1.5S
1.4S
0.1
2S
1.9S
0.1
30
0.5S
0.7S
0.2
1S
1.1S
0.1
1.5S
1.4S
0.3
2S
1.9S
0.1
45
0.5S
0.7S
0.2
1S
1.1S
0.1
1.5S
1.4S
0.1
2S
2.2S
0.2
4.4测试结果
经过上述的反复测试，我们得出如下结论：
5结论
本次设计制作的电磁运动控制装置简单易行，经过反复测试，我们得出它基本满足如下条件：
基本部分：
（1）按下启动按钮，由静止点开始，控制摆杆摆动
（2）由静止点开始，控制摆杆在指定的摆角（10°~45°范围内）连续摆动，摆动摆角绝对误差≤5°，响应时间≤15s
（3）由静止点开始，按指定周期（0.5s~2s范围内）控制摆杆连续摆动，摆动周期绝对误差值≤0.2s，响应时间≤15s。
（4）在摆杆连续摆动的情况下，按下停止按钮，控制摆杆平稳的停止在静止点上，停止时间≤10s。
发挥部分：
（1）摆杆摆角幅度能在10°~45°范围内预置，预置步进值为5°，摆角幅度绝对误差≤3°，响应时间≤10s。
（2）摆杆的周期能在0.5s~2s范围内预置，预置步进值0.5s，周期绝对误差值≤0.1s，响应时间≤10s。
（3）摆杆摆角幅度和周期在上述范围内可同时预置，由静止点开始摆动，摆角幅度值和周期相对误差要求均分和发挥部分中的
（1）、
（2）相同。
当摆杆稳定运行20秒后发出声、光提示，并在5秒内平稳停在精致点上。
（4）其他。
参考文献
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[2]潘永雄.新编单片机原理与应用[M].西安电子科技大学出版社,2003.2.
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[5]王雷,钟爱琴等.AT89系列单片机原理与接口技术[M].北京航空航天大学,2004.5.
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[7]李明星.直流稳压电源的设计与制作[M].吉林工程技师学院,2006.11.22.
[8]邱关源.电路[M].高等教育出版社,2005.4.
附录：
附录1：
图3系统
附录2：
附录3：
控制源程序代码
#include"STC12C5A60S2.h"
#include"1602.h"
#include"stc_ad.h"
#include"4x4l1x1key.h"
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#definePI3.141592
sbitdrive_1=P3^0;
sbitdrive_2=P3^1;
sbitdrive_3=P3^2;
sbitdrive_4=P3^3;
uintAD_data;//模拟量
uchars;
floatAngle,V_out;
voidT0_init（）;
voidjiaodu_display（）;
voidanjian（）;
voidanjian_display（）;
voiddelay（uintt）;
voidmain（）
{
P1M0=0x00;
P1M1=0xff;
init_1602（）;
while
（1）
{
jiaodu_display（）;
anjian_display（）;
}
}
/******************************************/
/**/
/*驱动*/
/**/
/******************************************/
voiddrive（）
{
if（yushe_degree==10||yushe_degree==15）
{
if（AD_data>=1650）//10
{
if（Angle>8）
s=2;
else
s=0;
}
else
{
if（Angle>2&&Angle<10）
s=4;
else
{
if（Angle>15）
s=4;
else
s=0;
}
}
}
else
{
if（AD_data>=1650）
{
if（Angle>0&&Angle<10）
s=1;
else
s=0;;
}
else
{
if（Angle>4&&Angle<20）
s=2;
else
{
if（Angle>30）
s=4;
else
s=0;
}
}
}
switch（s）
{
case0:
drive_1=0;
drive_2=0;
drive_3=0;
drive_4=0;
break;
case1:
drive_1=1;
drive_2=0;
drive_3=0;
drive_4=0;
break;
case2:
drive_1=0;
drive_2=1;
drive_3=0;
drive_4=0;
break;
/*case3:
drive_1=0;
driv
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