帆板控制系统毕业设计论文

毕业设计（论文）任务书电子信息工程系12 届应用电子技术专业

毕业设计（论文）任务书

毕业设计（论文）题目帆板控制系统

课题内容性质理论研究

课题来源性质教师收集的结合

生产实际的课题

论文

校内（外）指

导教师职

称

工作单位及部门联系方式

蔺鹏副教

授

电子信息工程系

Linp210@yahoo.c

https://www.360docs.net/doc/d915641536.html,

一、题目说明（目的和意义）：

本系统仿真帆板控制系统。能够手动控制风扇吹动风帆达到要求角度并能实时显示角度；通过预先设定角度控制风扇吹动风帆达到要求角度并能实时显示角度；对风帆达到某个角度后具有声光报警功能。通过本题目的研究和设计，使学生能够对单片机应用系统的设计方法包括总体方案论证，系统硬件设计和系统软件设计有一个整体的认识。

一、任务

设计并制作一个帆板控制系统，通过对风扇转速的控制，调节风力大小，改变帆板转角θ，如图1 所示。

图1 帆板控制系统示意图

二、要求 1、基本要求

（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°。 （2）当间距d =10cm 时，通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角能够在0~60°范围内变化，并要求实时显示θ。矚慫润厲

钐瘗睞枥庑赖。

（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，并有声光提示，以便进行测试。聞創沟燴鐺險

爱氇谴净。

2、发挥部分

（1）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°。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。

调节装置

键盘

数字显示

角度检测信号

转速控制

风扇

风力

d

θ

（2）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°。酽锕极額閉镇桧猪訣锥。（3）其他

摘要

本系统通过调节风扇风速来实现对帆板转角的控制，使帆板的转角能够随风速变化，并且能快速达到设定角度并保持稳定。主要是以STC89C52RC单片机为主控核心，通过键盘设定帆板角度，再由A/D转换器转换数据送至单片机处理后使系统自动达到设定的角度，最后由液晶显示器来显示系统的所有信息。单片机输出PWM脉冲来控制风扇的风速，通过角度传感器测量帆板的旋转角度并反馈至单片机，采用PID控制算法，使系统实现精确控制，然后微调风速的大小使帆板角度达到设定值并稳定。并且在达到设定范围时进行声光报警提示。通过调试，使各项性能指标均达到设计要求，使最终转角绝对值误差不超过5?。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。

关键字：STC89C52RC；液晶显示；角度传感器； PID算法； A/D转换器

Abstract

The system through the adjustment to achieve the board fan speed control of the angle, make the board of the angle change with the wind speed, and can quickly reach a set Angle and remain stable Main STC89C52 microcontroller as the controller is core the keyboard set the board Angle, and then by the A/D converter conversion of data sent to the SCM processing system after the Angel of automatic reach A set, and finally by LCD monitor to show all of the information system Single chip microcomputer to control PWM pulse output the fan's wind speed, through the measurement of Angle sensor board rotation Angle and feedback to the single chip microcomputer,PID control algorithm, make accurate control system, and the size of the board to fine-tune wind speed to set data and stable Angle. And in reach a set range for sound and light alarm prompt. Through the debugging,make various performance indicators are to meet the design requirements, make the final angle absolute value error is no more than 5 ?.謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。

Key word: STC89C52RC, Liquid crystal display, Angle sensor, PID algorithm , A/D

converter 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。

目录

1．方案论证与选择 ..................... 0茕桢广鳓鯡选块网羈泪。

1.1 系统的基本组成.................. 0鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。

1.2 各模块方案论证与选择............ 1籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。

1.2.1 主控制器选择及论证......... 1預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。

1.2.2 角度监测方案比较........... 2渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。

1.2.3 风扇控制方案............... 3铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。

1.2.4 驱动模块的选择............. 4擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。

1.2.5 显示模块的选择............. 4贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。

1.2.6 电源模块的选择............. 5坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。

1.2.7 A/D转换模块的选择 ......... 5蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。

1.2.8 语音播放模块............... 6買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。

1.3 系统各模块的最终方案............ 7綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。2．系统理论分析与计算 ................. 8驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。

2.1 角度测量原理.................... 8猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。3．硬件电路的设计 ..................... 9锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。

3.1系统硬件的基本组成 .............. 9構氽頑黉碩饨荠龈话骛。

3.2 各部分硬件电路模块设计.......... 9輒峄陽檉簖疖網儂號泶。

3.2.1 主控制电路模块设计......... 9尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。

3.2.2 角度监测模块电路的设计.... 11识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。

3.2.3 A/D转换模块电路的设计 .... 11凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。

3.2.4 风扇驱动模块电路的设计.... 12恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。

3.2.5 键盘控制模块电路的设计.... 13鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。

3.2.6 LCD显示模块电路的设计 .... 13硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。

3.2.7 声光提示模块电路的设计.... 14阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。

3.2.8 语音播放模块电路的设计.... 14氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。

3.2.9 电源控制模块电路的设计.... 15釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。

4 .软件设计 .......................... 16怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。

4.1 控制算法....................... 16谚辞調担鈧谄动禪泻類。

4.1.1 定频调宽法 .............. 16嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。

4.1.2 积分分离算法 ............ 17熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。

4.1.3 遇限削弱积分算法 ........ 17鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。

4.2 程序设计思路图................. 18纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。

4.3 系统软件主流程图............... 18颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。

5 系统测试仪器 ....................... 20濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。总结 ............................... 21銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。致谢 ............................... 22挤貼綬电麥结鈺贖哓类。参考文献 ............................. 23赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。附录1 ................................ 24塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。附录2 ................................ 24裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。

1．方案论证与选择

1.1 系统的基本组成

题目要求设计制作一个帆板控制系统，通过对风扇转速的控制，调节风力大小，改变帆板转角 。根据题目要求,本系统可以分为控制部分、信号检测部分和电源部分。控制部分则包括显示模块、按键模块、声光报警模块、风扇驱动模块四个基本部分。信号检测部分为角度测量模块（测量帆板的角度）、A/D转换模块。电源部分则给各部分提供电源，系统图如图1.1所示：仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。

图1.1系统总框图

1.2 各模块方案论证与选择

1.2.1 主控制器选择及论证

方案一：采用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器；将所有的器件集成在一块芯片上，这样外围电路较少，控制板的体积小，稳定性高，扩展性能好；而且FPGA采用并行的输入/输出方式，系统处理速度快，再加上FPGA有方便的开发环境和丰富的开发工具等资源可利用，易于调试；但是FPGA得成本偏高，算术运算能力不强，而本设计系统的设计会用到较多算术运算，所以FPGA的高速处理的优势得不到充分体现。绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。

方案二：采用DSP作为控制器。DSP具有强大的控制和信号处理能力，片内具有快速RAM和flash。其次有接口方便、编程方便、稳定性好、精度高等优点。本题主要利用处理器控制风扇的转速，数据处理方面要求不高。骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。

方案三：采用Atmel公司的89系列的单片机作为系统的控制器。单片机控制功能强，软件编程灵活，可用软件较简单的实现逻辑控制，并且其成本低，体积小和功耗低等优点，使其在各个领域中应用广泛；另外，在本设计数据量不大的情况下完全可以完成风扇转速的控制。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。

综合比较，本系统采用方案三。

1.2.2 角度监测方案比较

方案一：采用角度传感器监测。角度传感器SYD35D4线性度为±1%，旋转扭矩为M

N ??4

-10

20，分辨率高，最为关键

的是它采用滚珠轴承的机械结构方便与帆板轴承相结合测量角度。SYD35D4 有机械寿命长，分辨率高，转动顺滑，动态噪声小的优良性能。且该方案实现较易。鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。

方案二：采用倾角传感器监测。倾角传感器通常可以同时监测X 轴、Y 轴两个方向的倾斜角度，能够精确测量、跟踪倾斜角的大小和变化。但是测量角度时需要将倾角传感器安装在帆板上，增加了整个帆板装置的重量，同时倾角传感器的精度较高，测量时会将噪声信号带入控制系统，影响角度测量的精度。栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。

方案三：采用MMA7260重力加速度传感器，由于加速度传感器在静止放置时受到重力作用，因此会有1g 的重力加速度。利用这个性质，通过测量重力加速度在加速度传感器的X 轴和Y 轴上的分量，可以计算出其在垂直平面上的倾斜角度。根据如图1.2所示，有Ax=gsin α，Ay=gcos α。则

Ay Ax

=tan α

即 α=arctan(

Ax Ay

).这样，根据以上原理一个

2 轴

加速度传感器可以测量在X-Y 平面上的倾斜角度。该方案原理简单，操作方便，但使用起来运算量较大，程序较为复杂，对于单片机来说，处理时太慢且复杂。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。

图 1.2 加速度传感器角度测量原理

综合比较，本系统采用方案一。

1.2.3 风扇控制方案

方案一：改变励磁电流调速。在这种调速方法中，随着电动机磁通Ф的减小，转矩相应地降低。通常只有在电动机基速以上调速时才采用这种调速方法。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。

方案二：改变电枢回路电阻调速。这种调速方法为有级调速，转速变化率大，轻载下很难得到低速，效率低，故这种调速方法很少使用。詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。

方案三：采用PWM调速。PWM技术实现数字方式控制模拟信号。它的开关频率较高，快速响应特性好，动态抗干扰能力强，产生的数字脉冲信号稳定可靠。通过选用定频调宽法容易用单片机实现对风扇风速稳定、均匀的控制。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。

综合比较，本系统采用方案三。

1.2.4 驱动模块的选择

方案一：采用ULN2803在输入5V工作电压下可最大驱动电压50V、电流650mA的负载，风扇运行起来稳定，可靠性强。因此可选用ULN2803构成风扇驱动电路。胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。

方案二：采用L298N驱动芯片。L298N芯片是较常用的电机驱动芯片。该芯片有两个TTL/CMOS 兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性能，可用单片机的I/O口提供信号，其输出的PWM 脉冲控制直流电机，能够对电机转速的上升与下降进行平滑调节，保证调节过程中本身对风扇的影响最低，但是L298N的发热太快不能长时间工作。鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。

方案三：采用大功率三极管，二极管，电阻电容等元件。用上述元件搭建两个H桥，通过对各路信号放大来驱动电机，原理简单。但由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，很难精确控制。稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。

综合比较，本系统采用方案一。

1.2.5 显示模块的选择

方案一：用LED 显示，优点亮度高、成本低，易于单片机编程，但是显示时占用I/O口多，显示信息量不足。陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。

方案二：采用LCD_12864 液晶显示，功耗低、无辐射显示稳定、抗干扰能力强，编程控制简单，使用方便，显示信

息能力强等特点，且分行显示能够清晰的看清系统所运行的所有信息。沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。

方案三：采用LCD-1602液晶显示，其显示是采用背光照亮，对人眼损害很弱，再次LCD又是一种节能灯，功耗小，使用寿命长等优点，不需要外加蕊片组合，可以直接与单片机连接。单片机可以通过软件编程，来实现对液晶的显示的控制与设定。使用起来十分方便，但是此系统设计显示的内容较多，用LCD1602显示不完整。钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。

考虑到本设计的要求，我们选择方案二。

1.2.6 电源模块的选择

使用交流电220v供电，搭建独立电源模块，经变压器变压后，再用7812、7805芯片进行稳压。5V电源为单片机及其他传感器、显示屏等模块供电。使用220v交流电不仅能保证电量充足，而且相对于干电池有恒定的电压和电流。容易完成本设计的要求。所以我们采用此方案。懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。

1.2.7 A/D转换模块的选择

方案一：TLC1543美国TI司生产的多通道10位模数转换器。采用串行通信接口，具有输入通道多、性价比高、易于和单片机接口的特点，可广泛应用于各种数据采集系统 ,但其AD转换精度不能满足该系统对帆板角度的准确测量。謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。

方案二：采用8位的A/D转换器MAX1113构成A/D转换电路。采用单一的5V电源供电，性价比高、易于与单片机接口连接，但是我们对此芯片原理不够熟悉。呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。

方案三：ADC0804是属于连续渐进式（Successive Approximation Method）的A/D转换器，它是8位，即分辨率为1/256，转换值介于0～255之间，采用单一的5V电源供电。这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。

根据本设计的要求和我们对芯片的熟悉程度，我们最终选用了方案三。

1.2.8 语音播放模块

方案一：采用ZY1420A语音模块。ZY1420A内部使用ISD1420作为主控芯片,虽然它实现的声音较好，但外围电路复杂，实现的要求高，价格昂贵，性价比不高，对工业来说，不利于产品的大规模生产。麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。

方案二：采用APR9600语音录放集成电路。这是一种永久记忆型语音录放电路，可重复录放10万次。该芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术，单片电路可录放32～60秒，串行控制时可分256段以上，并行控制时最大可分8段。具有价格便宜、多种手动控制方式、分段管理方便、多段控制时

电路简单、采样速度及录放音时间可调、每个单键均有开始停止循环多种功能等特点。完全可以满足题目要求。納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。

根据本设计的要求，我们最终选用了方案二。

1.3 系统各模块的最终方案

经过仔细分析和论证,决定了系统各模块的最终方案如下：

（1）控制器方案：采用STC89C52单片机控制。

（2）电源方案：采用变压器降压、三端稳压器7805、7812稳压后给整个系统提供恒定的电压与电流。

（3）风扇驱动方案：采用ULN2803芯片来做驱动电路。

（4）角度测量方案：由SYD35D4角度传感器和ADC0804构成角度测量电路。

（5）数字显示方案：采用LCD12864液晶显示。

（6）键盘模块设计方案：4个独立按键。

此外，声光提示模块使用高亮度的LED和蜂鸣器，语音模块使用APR9600语音播报模块，使人们能够清晰的知道角度的位置所在。風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。

单片机STC89C52主要用于控制风扇速度、角度传感器数据处理并与用户进行交互，实现了帆板角度计算、风力大小控制和帆板角度值设定并稳定角度、最终进行声光提示、语

音播报等功能。灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。

2．系统理论分析与计算

2.1 角度测量原理

角度传感器的内部可看作是一个电位器。当它工作时，转轴旋转的角度和电位器的电阻值满足函数关系式)(1θf R =，然后将电阻和角度的关系转换成电压和电阻的关系)(2R f U =，

再通过A/D 转换器得到电压数字量)

(3U f U D =，即得到电压数字

量与角度的关系式)(4θf U D =

，最后列出D U 与θ的表格求出角

度。

控 制 按风驱动电3．硬件电路的设计铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。

3.1系统硬件的基本组成

本系统主要由主控制模块、驱动模块、采集模块、显示模块、电源模块组成其结构框图如图3.1所示，几个模块之间相互独立且存在联系，实现信息状态的上传和控制命令的下发。攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。

图3.1 系统控制框图

3.2 各部分硬件电路模块设计 3.2.1 主控制电路模块设计

主控制电路主要有单片机，独立按键等部分组成，通过控制主电路来控制系统的正常运行，从而实

现题目

的要

显示

按键

控 制 器

驱动电路

电机

传感器

求。其结构框图和电路图分别如图3.2、图3.3所示。趕輾雏纨颗锊

讨跃满賺。

图3.2 主控电路框图

S1切换键S2加一键S3减一键S4

设定键

5V

Y112MHZ

C1

C2

+C3R Q1

Q2

D1

RX

风扇

P0.0

P3.4P3.5P3.6P3.7+24V

EA/VP 31

X119

X218RESET 9

RD 17

WR 16

INT012INT113

T014

T115P101P112P123P134P145P156P167P178

P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728

PSEN

29

ALE/P 30TXD 11RXD 10VCC

40

GND 20

U1

8051

5V

12345678

16151413121110

9

RP18R P0.0P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7

P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7

P3.3P3.2P3.5P3.4P3.7P3.6P3.0P3.1VCC

P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7

R12.7K

R2

7.2K

R33K

图3.3 主控电路图

键盘实现功能：首先，键盘我们选择4个独立按键，S1是状态转换键、S2是加一键、S3是减一键、S4是设定键。通过调节按键来控制电机的转速从而控制风速的大小、风扇的启动与停止以及设定范围内角度的调节。夹覡闾辁駁档驀迁锬減。

3.2.2 角度监测模块电路的设计

角度传感器的内部可看做是一个电位器。测量角度传感器的电压值，再通过A/D 转换器得到数字量)

(3U f D U

=，最终由

D U 与θ列出的表格求出转角， 如图3.4

所示。 视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。

图

3.4 角度监测电路

3.2.3 A/D 转换模块电路的设计

使用A/D 转换器ADC0804构成A/D 转换电路。ADC0804使用+5V 电源供电，选通通道0输入模拟信号，CS 、RD 、WR 分别和单片机的P2.0、P2.1、P2.2口连接，DB0~DB7分别和单片机的P1口的8个引脚连接，如图3.5所示。偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。