帆板控制新版系统报告.doc

帆板控制系统

题 目：帆板与控制系统

组 员：

指引教师：
时 间：. 8. 11

摘 要
随着社会发展，智能化已经成为当代化产品发展新趋势，帆板角度控制系统成为测量风力大小产品，即可以节约电能，又可以把测量风力大小设备向智能化产品方向过渡。
本系统采用SCT89C51单片机作为控制核心，运用角度传感器ADXL335、电机驱动L298N、液晶显示、键盘控制、声光报警等各种模块实现帆板控制系统。安顿在帆板上角度传感器将检测信号通过AD转换后传送给单片机控制系统，计算出帆板旋转角度，并由单片机控制液晶进行信息显示。帆板旋转角度可通过键盘设立风力级别，由单片机通过PWM方式驱动直流电机运转进行调速。配合角度传感器可以实时调节电机转速，进而带动电扇调节帆板转角。
测试成果证明，帆板控制系统运营稳定可靠，可以精确迅速地调节帆板角度，液晶显示内容直观。
目录
第一章 前言 1
第二章 系统整体分析 2
2.1方案的论证 2
2.1.1输入模块的选择 2
2.2 系统的整体 4
第三章 硬件电路 6
3.1 按键电路 6
3.2 主控电路 6
3.2.1振荡电路 6
3.2.2复位电路 7
3.3 风扇控制电路 7
3.4 显示电路 8
3.7 硬件系统 9
第四章 软件系统 10
4.1 控制算法 10
4.2 角度测量原理 10
4.3.1 KEIL简介 10
4.3.2 Proteus简介 10
4.4 软件设计 11
第五章 仿真与调试 12
5.1仿真 12
5.2测量 13
第六章 总结 18
附录 19

第一章 前言
随着科学技术飞速发展，人们生活水平不断提高，单片机控制成为了人们追求目的之一，它所给人类带来以便是不可否定，但人们对它规定越来越高，一切向着数字化控制，智能化控制，人性化方向发展。当代社会对各种信息精确性也有了更高规定，自动检测、自动控制技术显露出非凡能力。对于像帆板这样自动平衡调节系统在机械、机器人平衡运动以及生活、军事、工业生产控制和研究中均有着不可磨灭作用和地位。
在本设计中，一方面选取了适当方案并进行仿真，在实现仿真后进行了电路得连接及调试。
本系统设计了基于51系列SCT89S51解决器帆板控制系统。该系统是通过PWM波控制永磁式直流电机转速来变化电扇风力，使得帆板受力发生变化控制其竖直方向夹角。使用角度传感器ADXL335采集帆板角度模仿量，数据通过ADC0809模数转换，将转换后数据送给解决器，通过一系列数据解决将其角度用LCD1602显示输出；该帆板控制系统构成虽然简朴，但是在设计方面应用了好多领域知识，如A/D数模转换技术，单片机C编程，直流电机驱动模块，直流稳压电源，角度传感器数据采集等。
、

第二章 系统整体分析
本课题规定设计并制作一种帆板控制系统，通过对电扇转速控制，调节风力大小，变化帆板转角θ。依照对题目分析，得到初步方案，系统总体框图如下所示：

图1 总框图

总体方案描述：本系统设计由输入、控制器、输出三某些构成。输入由按键某些构成，通过按键产生信号，并将得到信号以数字信号送给控制器解决；控制器功能是解决输入某些传来数字信号并控制输出某些；输出某些显示帆板角度。
2.1方案论证
本系统规定帆板角度可以在0—60转动，在45实现报警并且误差不超过5，因而需要选取稳定器件组合。
2.1.1输入模块选取
方案一 采用独立键盘。各种使用时，线路连接不便，操作繁琐。
方案二 采用距阵式键盘，可输入值比较多，可设定功能也多。
在本系统中需要四个按键，系统选取了第一种方案。
主控模块
方案一 采用可编程门阵列FPGA作为控制器，它不受接触器和I/O端口限制，适合构成复杂逻辑电路，但其信号延迟时间不拟定，编程数据存储器为SRAM，断电后数据及时丢失。
方案二 采用SCT89C51作为控制器，51单片机使用简朴，编程灵活，且比较熟悉。
综上选用方案二

显示模块
方案一 采用LED数码管显示。数码管显示控制简朴调试也以便，但是显示方式单一，只能显示单一齐段数值，有些字符信息难以显示。
方案二 采用液晶模块LCD1602显示。可以显示数字，字符等，显示内容丰富。并且 系统体积紧凑、显示界面和谐等特点。
综上，选用LCD1602显示系统。

角度测量模块
方案一 采用KM 741磁阻式角度传感器测量帆板角度，然后通过无线发射系统把测量角度发送给控制系统，但需外加侧场合信号调理芯片构成电压输出式角度传感器UZ9000/UZ9001才干输出数字信号。
方案二 采用ADXL335 ，它可以测量倾斜检测应用中静态动力加速度，以及运动、冲击或振动导致动态加速度，且低功耗。
综上所述选取方案二

电扇驱动模块
方案一 采用继电器与半导体功率管器件组合驱动电路
方案二 采用L298N集成H桥芯片。在L298N集成芯片处中集成了两套H桥电路，可直接驱动两路直流电机，运用单片机产生PWM信号，可以便地进行电机调速。
方案三 用ULN功率放大器件。ULN 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿数码管构成。通过使用不同放大电路和不同参数器件，可达到不同放大规定，放大后能得到较大功率。
本系统设计采用方案二。
帆板设计方案与选取
方案一 采用电路版作为帆板。电路版在帆板体积稍大一点时，考虑到风力大小和自身重力，不适当采用。
方案二 采用泡沫 重量小，很容易让使帆板转动从而满足设计所需要角度，但她稳定性不高，干扰成分太多。
方案三 采用硬纸板作为帆板。硬纸板稳定性好，抗干扰能力强，受干扰成分叫小且经济。
综上所述选用方案三。
2.2 系统整体
通过方案对比分析最后拟定系统框图如图1所示，通过滑动变阻器给定一种预设角度，ADC与单片机相连，单片机驱动液晶显示、控制电器驱动来变化风速，从而变化帆板角度，角度传感器把此时角度通过ADC反馈给单片机。

图2 系统框图

第三章 硬件电路
本系统采用SCT89C52单片机作为控制核心，运用角度传感器ADXL335、电机驱动L298、液晶显示、键盘控制、声光报警等各种模块实现帆板控制系统。
3.1 按键电路
通过按S3键让电扇启动，S2键加速，S1键减速。变化电扇风力大小变化帆板角度。

图3 按键电路
3.2 主控电路
单片机子系统由单片机AT89C52、复位电路、时钟电路构成。
3.2.1振荡电路
振荡电路输入端为引脚XTAL1,输出端为引脚XTAL2。通过这两个引脚在芯片外连接石英晶体振荡器和两只电容器构成振荡电路，

图3 振荡电路
3.2.2复位电路
80C51共有上电复位、按键复位电路和按键脉冲复位3种基本复位电路。上电复位是通过电容充电来实现，本设计采用比较简朴上电复位方式

图4 复位电路
3.3 电扇控制电路
电扇控制电路重要采用L298N，通过单片机I/O输出PWM波，通过变化PWM波占空比变化电扇转速，还可以实现对电机进行正反转，停止操作，输入引脚与输出引脚逻辑关系见表1。
EA
IN1
IN2
运转状态
0
×
×
停止
1
1
0
正转
1
0
1
反转
1
1
1
立停
1
0
0
停止
表1
在实验中采用了pwm波接EA端控制驱动电路运转，IN1接高电平，IN2接地，实现正转。

图5 电扇转动电路

图5是L298模块驱动电路图，在这个系统只涉及一种电机，因此图3中EN B、IN3、IN4、OUT3、OUT4、SENB不需要接入电路中。其原理就是开关管在一种周期内导通时间为t，周期为T，则电机两端平均电压为U=Vcc*（t/T）=a Vcc。其中a=t/T（占空比），Vcc是电源电压。电机转速与电机两端电压成比例，而电机两端电压与占空比成正比，因而电机转速与占空比成正比例，占空比比例越大，电机转越快。这就是咱们常说PWM调速。
3.4 显示电路

显示电路八位数据双向线D0—D7接单片机P0口，RS为寄存器选取，高电平择数据寄存器，低电平选取指令寄存器接；R/W为读写选取，高电平进行读操作，低电平进行写操作；E为使能端。

图6 显示电路
3.7 硬件系统

帆板控制系统是由角度传感器ADXL335，L298驱动模块，STC89C52，LCD显示以及键盘等硬件系统构成。角度传感器可以实现角度采集，这样就能通过ADC0809来实现AD转换，通过单片机控制使得LCD可以显示当前角度。L298驱动模块是通过PWM波实现占空比转换，以便控制电扇风速控制，电扇吹动帆板转动，建立了角度与占空比关系。

图7 系统原理图

第四章 软件系统
4.1 控制算法
本设计通过单片机输出占空比可调PWM波完毕对电扇转速控制，假设风帆设定转角A，当前转角不不大于A时，控制调制脉冲低电平延时变长，高电平变短，使PWM波占空比减小，从而减缓风速。反之，当转角不大于A度时,则高电平时延变长。直到设定转角等于当前转角。从而实现了脉宽调制，完毕风速控制。
4.2 角度测量原理
电扇吹动帆板转动，产生帆板角度变化，运用ADXL335数字加速度传感器测出三维坐标x 、y 、z变化，将加速度传感器固定在帆板上，从而通过固定X，运用Y 、Z关系求出角度。角度θ=[1.54-5*（y-z）]/0.03565。角度测量范畴是0—90°，可以满足系统规定。

4.3软件简介
4.3.1 KEIL简介
KEIL C51是51系列单片机软件开发系统，与汇编语言相比，C语言在不但语句简朴灵活，并且编写函数模块可移植性强[8]，使用以便。在使用时先创立一种工程，然后添加文献并编写程序，编好后再编译调试产生二进制文献(.HEX)。
4.3.2 Proteus简介
Proteus软件不但有原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真功能，并且它电路仿真是互动，可以依照仿真实时观测到得现象验证设计对的性及精确性并及时变化程序代码、原理图连接以及元件属性等。它还能配合系统配备虚拟仪器来显示和输出[9]，效果较好。适合本设计所用51系列CPU实时仿真及开发应用，使用时先画好电路原理图，再将二进制文献(.HEX)导入单片机中进行仿真，可以实时修改程序和电路图。

4.4 软件设计
本系统所用软件程序所采用语言是C语言。一方面使系统每一某些初始化，电扇转速初始化通过数模转化后传递给单片机单片机输出pwm波形来控制电扇转速，电扇不同转速相应帆板不同角度值，站在帆板上角度传感器通过算法计算出帆板角度，同步，反馈给单片机在显示屏上显示角度大小。通过按键调节风力大小来控制帆板角度从而达到实验目。
控制按键子程序

图8 主程序流程图

第五章 仿真与调试
在Proteus环境下仿真了整体电路，但由于不能在此状况下不能仿真角度传感器，智能通过电扇转速来相应角度，为了使实验达到预期目咱们也做了大量测量来调试电路
5.1仿真
本系统使用Proteus 和KEIL软件进行仿真。其中软件编写采用C语言，并用KEIL 软件来调试程序，当编译对的后可产生.hex 可执行文献；最后将.hex 导入用Proteus 软件已画好原理图中来仿真成果。
在最后仿真中按启动键电机机可以启动，加速键和减速键按下后电机都回达到预期加速或减速，并且角度传感器会有相应加减变化。

图9 系统仿真图
5.2测量
为了让实验达到预期成果，在软件调试中咱们也做了大量硬件调试和测量。
表2是在距离为7时不同电压不同角度实际测量帆板角度启动稳定值
电扇角度
电压(V)
30°
45°
60°
90°
1
0
0
0
0
2
5
5
5
5
3
5
8
10
15
4
5
15
20
20
5
10
20
25
30
6
20
30
30
40
7
20
35
38
50
8
25
40
40
53
9
30
50
48
55
10
40
55
53
55
11
45
65
55
57
12
45
70
60
57
13
45
75
65
58
14
45
85
75
59

表2
实验规定测量角度为0°— 60°，在达到实验规定且增长电压时帆板角度增长值稳定综合考虑下选取60°。
表3是在电扇角度为60°、帆板与电扇距离为10cm时
初始值
电压值(V)
启动帆板稳定值（°）

8
12
35
13
40
14
45
15
47

10
12
40
13
47
14
50
15
55

12

14
12
45
13
50
14
60
15
65
12
45
13
55
14
60
15
65

16

12
50
13
60
14
65
15
75
表3
实验规定帆板角度在0°—60°之间，在达到规定又节能综合考虑下应选取初始值为12，电压值为12V，并且此时达到实验规定报警规定。
5.2.3 运用MATLAB测帆板角度与（Y-Z）电压值关系
(1)
Y(v)
1.776
1.775
1.772
1.767
1.758
1.752
1.741
1.728
Z(v)
1.504
1.524
1.548
1.577
1.604
1.621
1.645
1.667
θ(。)
0
5
10
15
20
25
30
35
Y(v)
1.714
1.699
1.679
1.657
1.638
1.612
1.561
1.542
Z(v)
1.687
1.705
1.725
1.743
1.757
1.771
1.791
1.795
θ(。)
40
45
50
55
60
65
70
75
表4

M1 （y-z）=-0.0349(θ/5+1)+0.3306
(2)
Y(v)
1.773
1.773
1.770
1.765
1.756
1.744
1.731
1.714
Z(v)
15000
1.520
1.548
1.576
1.606
1.635
1.657
1.683
θ(。)
0
5
10
15
20
25
30
35
Y(v)
1.700
1.679
1.648
1.617
1.595
1.572
1.559
1.539
Z(v)
1.702
1.722
1.746
1.765
1.776
1.785
1.789
1.794
θ(。)
40
45
50
55
60
65
70
75
表5

M2 （y-z）=-0.0364(θ/5+1)+0.3216

(3)
Y(v)
1.932
1.931
1.928
1.923
1.914
1.904
1.890
1.875
Z(v)
1.625
1.648
1.682
1.706
1.735
1.763
1.791
1.814
Θ(。)
0
5
10
15
20
25
30
35
Y(v)
1.857
1.830
1.799
1.801
1.768
1.733
1.699
1.669
Z(v)
1.842
1.871
1.895
1.893
1.916
1.931
1.940
1.951
θ(。)
40
45
50
55
60
65
70
75
表6

M3 (y-z)=-0.0396（θ/5+1）+0.3657

结合三式求平均值，得：θ=[1.54-5*（y-z）]/0.03565 ，由此公式可计算任意电压值变化值下θ相应角度。

第六章 总结
随着社会发展，智能化已经成为当代化产品发展新趋势，基于微机控制系统智能化有助于对帆板控制。与否可以实现远程控制 、与否可以进行语音报警。又成为越来越感兴趣研究方向。运用帆板角度控制系统可以测量可以控制风力大小，如果可以精准测量出帆板偏转角度，那样就可以测出风力大小，研究成功，帆板角度控制系统将成为测量风力大小产品，就可以节约电能，又可以把测量风力大小设备向智能化产品方向过渡，并且在本来基本上更加完美和人性化。
本系统以单片机STC89C51芯片为核心，运用角度传感器、电机驱动并结合软件算法实现帆板转角测试、LCD显示、电扇转速控制、声光提示等功能，最后是系统完毕题目任务规定。在系统设计过程中，力求硬件线路简朴，充分发挥软件编程以便灵活特点，来满足设计规定。由于咱们时间有限，该系统尚有需要改进地方。
在本次设计过程中，虽然遇到诸多困难，但通过全构成员共同努力，最后咱们把困难解决。折让咱们深深体会到了团队协作重要性。同步，在实验进行中，咱们也学到了诸多电子专业知识，丰富了自己知识库，提高理解决问题能力和创新能力。

附录

实验元器件表
元器件名称
所需数量（只）
STC89C52
1
ADC0809
1
L298
1
电机和电扇
1
ADXL335
1
LCD1602
1
蜂鸣器
1