2011年全国电子设计竞赛,F题,帆板控制系统论文
F题 帆板控制系统
目 录
1、系统方案设计论证 1
1.1 方案比较与论证 1
2、系统硬件设计 2
1.2整体方案设计 2
2.1系统的硬件设计 2
2.2 单元电路设计及相关参数计算 3
2.2.1 显示模块电路 3
2.2.2风扇驱动电路 4
2.2.3放大电路 4
3、系统软件设计 5
3.1 程序总体流程图 5
3.2控制算法设计与实现 6
3.2.1风扇控制算法 6
4、测试方案与测试结果 6
4.1测试仪器 6
4.2测...
F题 帆板控制系统
目 录
1、系统
设计论证 1
1.1 方案比较与论证 1
2、系统硬件设计 2
1.2整体方案设计 2
2.1系统的硬件设计 2
2.2 单元电路设计及相关参数计算 3
2.2.1 显示模块电路 3
2.2.2风扇驱动电路 4
2.2.3放大电路 4
3、系统软件设计 5
3.1 程序总体流程图 5
3.2控制算法设计与实现 6
3.2.1风扇控制算法 6
4、测试方案与测试结果 6
4.1测试仪器 6
4.2测试条件 6
4.3测试方法 7
4.4测试过程 7
4.5测试结果分析 7
5、结语 9
附录1:系统电路图 10
帆板控制系统装置
摘 要
本帆板控制系统是一个兼具手动控制、自动控制和实时显示功能的控制系统。该系统主要由角度数据采集、风扇转速控制、键盘输入、数字显示以及风扇和帆板等模块构成。其中,角度数据由角度传感器采集,经A/D转换后进行相关计算和处理;风扇转速由单片机输出PWM信号进行控制;16位键盘输入,方便操作者进行角度设置;数字显示采用12864显示屏,实时显示帆板的偏转角度以及设定值等数据。
除完成题目要求的基本和发挥部分的所有功能外,系统还扩展了开机自检、按键容错、角度超范围提示等附加功能。此外,包括电路板、显示屏、键盘、风扇和帆板等所有装置均固定在同一底座上,不仅方便演示操作,还增加了外形的美观性和性能的可靠性。
关键字:角度传感器、A/D转换、PWM、实时显示。
1、系统方案设计论证
1.1 方案比较与论证
根据题目要求,为完成其规定的各项要求,我们项目组成员经过讨论,有如下几种方案可进行选择:
方案一:选用FPGA作为核心控制器,采用光电计数器作为角度检测传感器,对光电计数器的输出进行计数,确定帆板实际位置并进行调整。电机驱动采用PWM控制方式。
优点:资源丰富,接口众多,运行速度快,控制精度高。
缺点:价格较高、程序编写复杂,同时因随机摆动的可能会造成光电计数器读值不准而造成控制误差。
方案二:采用普通51单片机作为核心控制器,采用精密单圈电位器作为角度检测传感器,经过ADC转换之后送入MCU,采用控制输出电压的方式控制电机输出速度。
优点:成本低、程序编写简单。
缺点:控制精度低、功耗高。
方案三:采用选用STC12C5616AD单片机,该单片机的特点是具有增强型8051的内核,速度比普通8051快8-12倍。具有AD、PWM等功能,在系统可编程,无需编程器,无需仿真器,内部集成可靠复位电路。采用角度传感器畸形角度检测,将采集到的信号有单片机进行PWM输出控制风扇的转速完成设计要求的功能。
优点:成本低、外围电路较少、程序编写简单、功耗低、采集角度值准确。
缺点:PWM输出只有8位,精度较低,但能满足项目设计要求。
综上:我们选择方案三进行设计。
2、系统硬件设计
1.2整体方案设计
图一 系统框图
根据题目要求,如图一所示,将角度检测信号送入单片机进行数字化处理,键盘进行设定值输入,显示器作为各种信息如设定值、自测值、操作界面等的显示。经过数字化处理的角度值由单片机与设定值进行比较,控制风扇转速达到控制帆板角度的目的。同时,单片机可完成一些其他功能。
2.1系统的硬件设计
由STC12C5616AD单片机作为整个系统的控制核心。采用4×4矩阵键盘;使用角度传感器采集帆板转角大小θ,并用12864液晶显示器显示角度;使用NMB 3110KL-04W-B57风扇提供风力吹动帆板。各个检测信号、控制信号、显示信号等由单片机的I/O口进行控制,同时可以方便直观的进行系统设置,并由程序保证系统抗干扰的能力。
传感器采集到信号后,送入单片机内进行A/D转换,使用键盘设定帆板转角,通过PWM驱动电机转动及调速,此时帆板偏转角度会相应变化,角度传感器继续采集信号至达到键盘设定的帆板转角为止。
硬件设计框图如下:
图二系统硬件设计框图
2.2 单元电路设计及相关参数计算
2.2.1 显示模块电路
图三 显示模块电路
采用128*64液晶显示。其特点是显示容量大,外围电路简单,低电压功耗低,能够做到实时显示,功能易于扩展。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字,也可完成图形显示。
通讯方式选用串行通讯,节约了单片机的I/O口。模块在接收指令前,必须先确认忙标志BF,若处于非忙状态,则设定显示地址,再写入需显示字符的编码,RS、R/W的组合觉得模块的界面模式:
RS
R/W
功能
L
L
写指令到指令指令暂存器
L
H
读出忙标志BF及AC的状态
H
L
写入数据到数据暂存器DR
H
H
从数据暂存器DR中读出数据
表一12864的控制界面模式
2.2.2风扇驱动电路
图四 电机驱动电路
本系统使用NMB3110KL-04W-B57型号风扇。单片机根据预设值和实际采集到的角度值进行比较,控制PWM波形输出,控制电机转速,达到控制帆板角度的目的。电路中加入了光电耦合器,使电机驱动的12V电源与CPU隔离,使电路工作稳定并保护单片机。使用二极管保护了输出驱动场效应管。
2.2.3放大电路
图五 放大电路
角度传感器输出的信号为5V/360°,本方案只需采集0-60°,电压值约为0.83V/60°,为了AD采样的精确,需对其进行放大,系统采用LM358进行同相放大,将最大值放大至4.15V左右,有利于AD的采集。
3、系统软件设计
3.1 程序总体流程图
图六 程序总体流程图
3.2控制算法设计与实现
采集到的角度值经过放大后送入单片机进行AD转换。将其与预设值进行比较,根据其差值,选择合适的PWM输出值进行电机驱动。在设备运行过程中,不断的采集角度值进行比较,修正PWM输出值,控制电机转速,使帆板达到平衡状态。
3.2.1风扇控制算法
1. 获取预设角度值。
2. 查表获取角度基准值。
3. 设定PWM输出初始值。
4. 驱动电机输出。
5. 读取实际AD值。
6. 比较设定值与实际值得差异。
7. 微调PWM输出。
8. 循环读取实际AD值并控制风扇。
4、测试方案与测试结果
4.1测试仪器
仪器
型号
量角器
直尺
长度 15cm
秒表
示波器
UNI-T UTD2102CE-100M
万用表
UNI-T UT39A
表二 测试仪器
4.2测试条件
根据题目要求:
10CM,7-15CM之间任意距离。
注意事项:
无外部风力干扰及可能造成气流干扰的因素出现。
4.3测试方法
根据题目要求,设定帆板转轴中心距与风扇表面水平的距离。
测量CPU对风扇风量的控制效果。
使用量角器测量设备运行后的帆板角度值。
使用秒表测量帆板到位时间。
4.4测试过程
1.在电路板焊接完毕后,经过仔细检查和测试,上电正常;
2.试用了多种计算机风扇,对出风角度和风量大小等指标都不能达到完全满意的效果,经过反复测试和挑选,最终确定使用12V0.5A的风扇NMB3110KL-04W-B57;
3.角度传感器输出电压经放大以后不能达到理论计算值,经检查发现放大器电源电压偏低。将放大器电源电压由5V改为12V,工作正常;
4.在测试帆板偏转角度的过程中,发现角度传感器阻力较大,影响帆板的平滑运动。经检查,角度传感器为非接触式磁感应检测类型,其中心轴承与中心轴之间的配合不好,更换新轴承后问题解决;
5.风扇风力调整范围过小。经检测光藕输出为锯齿波,这是由于PWM频率过高引起。降低PWM频率后,问题解决;
6.当设定角度值之后,输出的PWM值不稳定,造成帆板角度偏差较大。检查程序发现,采集的AD值未设置缓冲区。加入缓冲区后工作正常。
4.5测试结果分析
测量值见表三
序号
项目要求
实际测试
结果
1
用手转动帆板时,能够数字显示帆板的转角θ。显示范围为0~60°,分辨力为2°,绝对误差≤5°。
手转动帆板,能显示0-60°,分辨力为1°,测量误差为2°。
OK
2
当间距 d=10cm 时,通过操作键盘控制风力大小,使帆板转角θ能够在 0~60°范围内变化,并要求实时显示θ。
距离:10cm
OK
第一次测量
设定值
实际值
显示值
10°
9°
10°
20°
21°
22°
30°
30°
31°
40°
39°
39°
50°
51°
50°
60°
58°
59°
第二次测量
设定值
实际值
显示值
10°
9°
10°
20°
19°
20°
30°
31°
31°
40°
38°
39°
50°
52°
51°
60°
58°
60°
第三次测量
设定值
实际值
显示值
10°
8°
9°
20°
21°
22°
30°
32°
31°
40°
42°
41°
50°
49°
50°
60°
60°
60°
3
当间距 d=10cm 时,通过操作键盘控制风力大小,使帆板转角θ稳定在 45°±5°范围内。要求控制过程在10 秒内完成,实时显示θ,并由声光提示,以便进行测试。
距离10cm
OK
第一次
46°
3秒
第二次
43°
3秒
第三次
43°
3秒
4
当间距 d=10cm 时,通过键盘设定帆板转角,其范围为 0~60°。要求θ在 5 秒内达到设定值,并实时显示θ。最大误差的绝对值不超过5°。
同序号2测量结果
OK
间距 d 在 7~15cm 范围内任意选择,通过键盘设定帆板转角,范围为0~60°。要求θ在 5 秒内达到设定值,并实时显示θ。最大误差的绝对值不超过 5°。
距离7cm
OK
到达设定角度时间:小于3S
设定值
实际值
显示值
10°
9°
9°
20°
18°
19°
30°
29°
29°
40°
38°
39°
50°
52°
51°
60°
61°
超出测量范围
距离10cm
到达设定角度时间:小于3S
同序号2测量结果
距离 15cm
到达设定角度时间:小于5S
10°
8°
9°
20°
19°
19°
30°
32°
29°
40°
39°
40°
50°
48°
49°
60°
57°
59
6
其他:
1:帆板初始角度检测
2:基板0-20°范围内倾斜时,对帆板进行模拟(相对)0°设置。
OK
表三 测量结果
结论:本设计完成了题目基本部分和发挥部分的各项要求,并进行了功能扩展,实现了一些题目未要求的功能。
5、结语
经过四天三夜的艰苦努力,本次设计圆满完成了题目要求的各项指标要求,达到了预期的效果。我们在选择方案和设计电路的过程中,查阅了大量相关
;确定方案后在最短的时间内设计出PCB图,确保测试环节的及早展开。在采购关键器件角度传感器的过程中也经历了不少波折,最终从深圳购买到满意的器件。在调试过程中,尽管硬件和软件都出现了各种问题,但经过大家反复查找和试验,并参考了以往的一些调试经验,最终解决了问题。
在作品完成之际,我们要感谢组委会给了我们一次锻炼的机会,感谢学校给我们机会参与此次竞赛的机会,感谢指导老师前期的辛苦培训,并在竞赛之前强化培训的过程中和我们一道准备了单片机最小系统、显示和键盘模块以及相关程序,使得我们在竞赛过程中少走了很多弯路,谢谢!
附录1:系统电路图
图七 系统硬件原理图
参考文献:
1. 李文方 《单片机原理与应用》 哈尔滨工业大学出版社.2010.5
2. 朱晓红 《模拟电子技术基础 》 机械工业出版社.2007.1
3. 曾晓宏 《数字电子技术》 机械工业出版社.2007.11
4. 谭浩强 《C语言程序设计》 第三版 清华大学出版社
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