全国大赛帆板控制系统最新.docx

1、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

2、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

3、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

4、、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，

5、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

6、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

7、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

8、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21所示：图21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：715cm。本系统帆板转轴直径0.5cm（二）角度计算帆板转角：

9、060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=(180*atan(tempz/tempx)/3.14。角度的测量X围是090，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

10、如图41所示：图41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42所示：图42风扇控制4、显示模块使用LCD12864显示，如下图43所示：图43显示模块5、声光提示模块图44声光提示模块6、传感器模块图45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46所示：图46风扇控制算法2、声光提示算法设计声光提示算法如下图47所示：图47声光提示算法3、系统流程图整个系统程序流程图如图48所示：图48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

11、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。0-662分辨力为2，绝对误差5。分辨1误差33使帆板转角稳定在455X围内，制过程在10 秒内完成，实时显示，并由声光提示5秒4在5 秒内达到设定值5秒表 12、按键控制风力等级测试风力等级角度W角度W角度W00005111109101115232223202529312537373930403940354746434049495145515253505556525555575460585957655760587060625975616360806463648565646590656

12、5659565656599666666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，1

13、997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#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit key=P27;void timer_init() TMOD=0X10; TH1=(65535-100)/256; TL1=(65535-100)%256; EA=1; ET1=1; TR1=1;void main() char devid; timer_i

14、nit(); 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_extern signed char pwm;extern void delayms(unsigned int xms);extern void keyscan();ex

15、tern void keyscan_1();#endif/*/Control.C文件#include#include control.h#include 12864.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define keydata P0sbit A1=P24;sbit A2=P25;sbit ENA=P26;signed int count=0; signed char pwm=0;signed char anjian=0;uchar numshi=0;uchar numge=0;void delayms(unsigned

16、 int xms) unsigned int i,j; for(i=0;ixms;i+) for(j=0;j110;j+); void pwm_dis() numshi=pwm/10; numge=pwm%10; write_12864_data(0x30+numshi); write_12864_data(0x30+numge); void anjian_dis() numshi=anjian/10; numge=anjian%10; write_12864_data(0x30+numshi); write_12864_data(0x30+numge); void keyscan() uns

17、igned char dat=0; unsigned char num=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) case 0xee:num=1; break; case 0xde:num=2; break; case 0xbe:num=3; break; case 0x7e:num=4; break; while(dat!=0xf0) dat=keyda

18、ta; 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) case 0xed:num=5; break; case 0xdd:num=6; break; case 0xbd:num=7; break; case 0x7d:num=8; break; while(dat!=0xf0) dat=keydata; dat=dat&0xf0; key

19、data=0xfb; dat=keydata; dat=dat&0xf0; while(dat!=0xf0) delayms(5); dat=keydata; dat=dat&0xf0; while(dat!=0xf0) dat=keydata; switch(dat) case 0xeb:num=9; break; case 0xdb:num=10; break; case 0xbb:num=11; break; case 0x7b:num=12; break; while(dat!=0xf0) dat=keydata; dat=dat&0xf0; keydata=0xf7; dat=key

20、data; dat=dat&0xf0; while(dat!=0xf0) delayms(5); dat=keydata; dat=dat&0xf0; while(dat!=0xf0) dat=keydata; switch(dat) case 0xe7:num=13; break; case 0xd7:num=14; break; case 0xb7:num=15; break; case 0x77:num=16; break; while(dat!=0xf0) dat=keydata; dat=dat&0xf0; switch(num) case 1: write_12864_addr(1

21、,3); pwm=0; pwm_dis(); break; case 2: write_12864_addr(1,3); pwm=10; pwm_dis(); break; case 3:write_12864_addr(1,3); pwm=20; pwm_dis(); break; case 4:write_12864_addr(1,3); pwm=30; pwm_dis(); break; case 5:write_12864_addr(1,3); pwm=40; pwm_dis(); break; case 6:write_12864_addr(1,3); pwm=50; pwm_dis

22、(); break; case 7:write_12864_addr(1,3); pwm=60; pwm_dis(); break; case 8:write_12864_addr(1,3); pwm=70; pwm_dis(); break; case 9: write_12864_addr(1,3); pwm=80; pwm_dis(); break; case 10: write_12864_addr(1,3); pwm=90; pwm_dis(); break; case 11:write_12864_addr(1,3); pwm=99; pwm_dis(); break; case

23、12:write_12864_addr(1,3); pwm=35; pwm_dis(); break; case 13:write_12864_addr(1,3); pwm=pwm+5; pwm_dis(); break; case 14:write_12864_addr(1,3); pwm=pwm-5; pwm_dis(); break; case 15:write_12864_addr(1,3); pwm=pwm+1; pwm_dis(); break; case 16:write_12864_addr(1,3); pwm=pwm-1; pwm_dis(); break; void key

24、scan_1() unsigned char dat=0; unsigned char num=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) case 0xee:num=1; break; case 0xde:num=2; break; case 0xbe:num=3; break; case 0x7e: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) case 0xed:num=5; break; case 0xdd:num=6; break; case 0xbd:num=7; break; case 0x7d:num=8; break; while(dat!=0xf0) dat=