基于单片机的帆板控制设计
基于AVR单片机帆板控制系统的设计
基于AVR单片机帆板控制系统的设计
设计任务
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。
帆板形式及具体制作尺寸如图2 所示。
图1 帆板控制系统示意图
图2 帆板制作尺寸图
根据题目要求，设计任务要实现风扇和帆板之间的距离在一定范围内变动时，在规定的时间内，自动调节帆板达到通过键盘设定的预置转角（下文简称：预置参数），同时对控制过程中的相关数据进行实时处理并显示。
设计思路：以AVR 单片机为核心，采用闭环控制，角度传感器检测帆板的
实际转动角度，单片机定时采集，与帆板预置参数进行比较，生成调控风扇电机的PWM 信号；用LCD 屏显示预置参数、帆板的转动角度、调节用的PWM 信号及调控过程完成的时间等内容。
系统硬件设计与实现
硬件概述
系统由以下几个基本模块组成：电源模块、单片机控制模块、电机驱动模块、显示与声光报警模块、键盘模块和角度检测模块。
整个系统框图如图3 所示。
图3 系统框图
（1）控制模块：采用AVR 单片机控制；
（2）角度检测模块：采用ADXL345 角度传感器；
（3）风扇类型：采用轴流式的电吹风风扇；
（4）电机驱动方式：采用L298 电机驱动芯片；
（5）显示模块：用LCD1602 液晶模块进行显示；。
帆板控制系统(基于STM32)
帆板控制系统加书签收藏下载跳至底部↓阅读:123次大小:10KB(共4页)帆板控制系统摘要：摘要：本系统以STM32F103ZE 的ARM 芯片为主控CPU，通过程序设计输出PWM 信号给直流电机驱动板以驱动风扇上的直流电机，从而带动风扇的转动。
用LSM303DLH3 三轴加速度传感器检测帆板偏转角。
可以用键盘设置PWM 占空比来改变风扇风速以控制帆板的偏转角。
还可以直接设置帆板偏转角，CPU 根据设置的偏转角和三轴加速度传感器检测的帆板偏转角的差，自动调节PWM 的占空比改变风扇风力大小，使帆板自动偏转到设定角度。
通过LCD5110 的液晶显示模块，可以实时数字显示帆板的偏转角和调节风力大小占空比。
关键词：关键词：STM32 加速度传感器PWM 偏转角帆板A bstract: This system to the ARM chips STM32F103ZE as control core, through the program design PWM signal output, in the to control dc motor drives board. With LSM303DLH3 sensor chip transmission An gle to signal to adjust the motor to control PWM signal motor speed. At the same time use the keyboard can be set rotation, adjust the pa nels of the chip, reached the PWM signal set the panels rotation Angl e. The keyboard also can adjust the PWM signal, and then chip can adjust the fan speed, to change the panels of the rotation Angle throu gh the regulation, and eventually to test LCD5110 liquid crystal displa y (LCD) module, show the panels of the deflection Angle. Key words: STM32 sailboard Angle sensor一、帆板控制系统总框架结构图和总体方案帆板控制系统总框架结构图和总体方案根据题目的要求，帆板控制系统由主控芯片模块，电机驱动模块、液晶显示模块，键盘模块等组成。
帆板控制系统(打印)
帆板控制系统（F题）摘要本系统是针对比赛F题设计的帆板控制系统，本系统以单片机STC12C5A60S为核心处理器，硬件包括液晶显示模块、增量型编码器模块、声光报警电路、键盘、及直流电机和驱动电路等部分组成。
系统中自制了风扇和帆板，帆板开启角度能被系统时时测量并显示，系统可通过键盘输入目标角度，系统能自动在10秒内控制风力并吹动帆板到达指定目标角度，同时风扇与帆板距离可在7~15cm间移动，当达到目标角度时系统用蜂鸣器和LED进行提示。
本系统工作稳定，各方面指标符合赛题要求。
关键字:STC12C5A60S2 编码器液晶显示一、系统方案论证与比较1.1核心控制模块方案一：采用A T89S51作为核心处理器。
虽然该产品功耗低，技术成熟，成本低，但是系统功能相对较少，实现PWM，AD等功能较麻烦，增加的外围电路数据转换速度慢，使系统复杂度增加，硬件成本上升。
方案二：采用STC12C5A60S2作为核心处理器。
此单片机可靠性高、功能强、编程灵活、自由度大、电源抗干扰性强，软件编程可实现各种算法和逻辑控制。
其内部集成AD模数转换器；PWM脉冲调制及丰富的中断源，并且他的功耗低，成本低，与51单片机相比，它的运行速度更快、芯片内部的Flash、EEPROM、SRAM 容量较大且支持在线编程烧写。
基于以上分析，拟定方案二。
1.2显示模块方案一：角度的数值可以使用数码管显示，但是数码管连接电路复杂，占用I/O 口较多，而且显示的位数有限，画面切换不方便也很不直观。
方案二：采用LCD12864液晶屏显示。
液晶屏（LCD）具有超薄轻巧、低耗电量、无辐射、平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高等特点。
而且LCD12864匹配了单片机，可以显示数字，英文字母，汉字等。
结合本系统要求，为了使画面更直接清晰、直观，我们采用方案二，使用LCD12864显示角度、文字、图形等。
1.3按键模块方案一：采用按钮开关作为按键的输入。
基于单片机控制的帆板系统的设计与测试
比较 Ａ 相在 前 还 是 Ｂ 相在 前 ，以判 别编 码 器 的正 转 与 反 转 ，通 过 零 位 脉 冲 ，可 获 得 编 码 器 的零 位
参考位
。
用Ｐ ＮＰ达 林 顿功 率 晶体 管 ＴＰ ２ Ｉ １ ７设 计 驱动 电路 ， ＴＰ ２ Ｉ １ ７具 有 耐压 高 ，驱动 能 力 强 等 优 点 。采 用 光
率宽 、适 用于精 密工 作环境 等 优点 。 Ｆ ＹＤ１ ８ ４显 示分 辨 率为 １ ８ ４ ２６ ２ ×６ ，内置 ８ ９ １２ 个 １ Ｘ １ 阵 汉字 和 １８个 ＡＳ Ｉ 字符 集 。利 用 ６ ６点 ２ ＣＩ
小 ，） Ｏ Ｎ 电动 机 的转 速 ＡＮ ．
只 要 按 一 定规 律 改变 通 机 转 速得到 控制
率 来 接 通 和 断 开 电 源 并 根 据 需 要 改变 一 个 周 期 内 “ 接通 ’和 “ 开 ”时 间的 长短 通 过 改变 直 流 ’ 断
， 。
电机 电枢 上 电压 的 ‘ ‘ 占空 比’来 改变平 均 电压 的大 ’
取 的 二 进 制 码 以用 于通 讯 、传输 和储 存 ，具 有 读 取 数 据 方 便 、转 速 高 、， ／ 、抗 干 扰 强 、 分 辨 ＩＡ快 ￣
Ｄｏ： ．９ ９ Ｊｉｓ ．０ ９ ０ ．０ ． （ ） ４ ｉ１ ３ ６／ ． ｎ １ ０ － １４ ２ １ ６ 下 ．２ ０ ｓ ３ ２
１ 控制要求及系统方案设计 特定 要求 读出 板 控制 时 帆 转角。 帆板 扇的 距ｄ ￣５ 与风 间 在７１ ｍ范围内 选 ｃ 任意 ２ 硬件及软件系统设计
Ｌ Ｄ 和 语 音 声光 报 警 ，采 用 语 音 芯 片 ，通 过 单 片 Ｅ 机 串 行 口输 出语 音 信 息 ，可 以实 现 控 制 系 统 满 足
帆板控制系统毕业设计
帆板控制系统摘要本系统采用STC12C5A60S2单片机作为控制核心，利用角度传感器、电机驱动、液晶显示、键盘控制、声光报警等多个模块实现帆板控制系统。
安置在帆板上的角度传感器将检测信号传送给单片机控制系统，AD转换器将模拟信号转换为数字信号，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置风力等级，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，进而带动风扇调整帆板转角。
测试结果证明，帆板控制系统运行稳定可靠，可以准确快速地调整帆板角度，液晶显示内容充实美观，声光提示信息齐全。
关键词：STC单片机、角度传感器、PWM、模糊控制目录第一章前言.................................................... １第二章认识帆板控制系统........................................ ２2.1 STC12C5A60S2系列单片机简介........................................ ２2.2 角度传感器......................................................... ３2.3 PWM方式........................................................... ５2.5 12864液晶显示器................................................... ７第三章系统方案的论证说明 ...................................... ８3.1单片机控制模块方案论证............................................. ８3.2角度传感器方案的设计论证........................................... ８3.3电机驱动模块论证................................................... ８3.4显示模块方案论证................................................... ８3.5 系统总体方案设计................................................... ８第四章主要单元硬件电路设计分析与参数计算 .................... １０4.1 单片机控制模块设计............................................... １０4.2 角度测试原理与检测模块设计....................................... １０4.3 风扇电机驱动控制模块设计与分析................................... １１4.4 显示模块设计..................................................... １１4.5 键盘模块设计..................................................... １１第五章系统软件设计.......................................... １２5.1 程序流程分析..................................................... １２5.2 算法设计......................................................... １４第六章系统测试调试.......................................... １５6.1 测试仪器......................................................... １５6.2 角度传感器模块测试与校正......................................... １５6.3 帆板控制系统实际运行测试......................................... １５6.4 测试结果分析..................................................... １６第七章结束语................................................ １７7.1 论文总结......................................................... １７参考文献、资料索引............................................ １８致谢.......................................................... １９第一章前言题目要求设计一个帆板控制系统，通过对风扇转速的控制，调节风力的大小，改变帆板转角θ。
帆板控制系统的设计
2011年全国大学生电子设计竞赛帆板控制系统2011年9月2日摘要本系统以STC单片机控制电路为核心，基于PID控制方法，采用PWM脉冲调宽的方式对直流电机进行调控，根据角度传感器反馈回来的信号实现可靠的闭环控制，自动稳定精确地控制帆板的倾斜角度。
关键词：PID控制方法 PWM脉冲调宽帆板帆板控制系统1系统方案1.1帆板倾斜角度测量方法的论证与选择方案一：采用角度测量传感器测量帆板倾斜角度在轴承处安装角度测量传感器，当帆板转动一定角度时就会带动轴从而带动角度传感器转动。
传感器的测量值传给A/D转化器转换成数字量（方便运算），再将数字量传给单片机并予以显示。
图1 角度测量传.感器示意图优点：便于调控，精确测量。
缺点：造价高，元件易损坏。
方案二：采用电容传感器测量帆板倾斜角度将电容的一面板作为帆板安装相连，另一面板作为底板，当帆板倾斜时电容改变，进而改变电路的谐振频率，通过频率/电压转换电路，将谐振频率转换为电压信号，再由单片机内部的A/D转换器转换成对应的数字信号，通过运算处理，得到控制信号。
优点：节约材料，方便组装。
缺点：误差较大，不便于测量，参数转换较复杂。
方案三：采用超声波传感器测量帆板倾斜角度超声波传感器通过发射和接收进行测量帆板所倾斜角度。
优点：与测量装置无接触，没有机械损耗。
缺点：温度影响大，容易受外界干扰。
综合以上几种方案，经过比较，从经济性和实用性角度以及现有元器件情况，我们选择选择方案一。
1.2 风力控制部分的论证与选择方案一：改变供电电压大小根据能量转换平衡原理可知：P J=P D式中：P J——机械功率P D——电气功率由上式可知：风量越大所需机械功率越大，另有P= U2/R，所以在电阻一定的前提下，电压越高，电功率越大，电压越小电功率越小，机械功率也小，也就是说：风机的风量越小。
通过分析可见，改变直流电压的高低，就能控制风量的大小。
优点：易于调试，容易实现。
缺点：在低电压情况下，电机转矩较小，不易启动。
帆板控制系统毕业设计
1.系统方案----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 31.1主控制器的选择----------------------------------------------------------------------------------------- 31.2电源模块的选择----------------------------------------------------------------------------------------- 41.3 角度信号采集模块的选择---------------------------------------------------------------------------- 41.4 A/D转换模块的选择----------------------------------------------------------------------------------- 51.5驱动模块的选择----------------------------------------------------------------------------------------- 51.6显示模块的选择----------------------------------------------------------------------------------------- 5 2系统理论分析与计算 -------------------------------------------------------------------------------------------- 6 3硬件电路设计 ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 63.1系统硬件的基本组成----------------------------------------------------------------------------------- 63.2：硬件电路模块设计 ----------------------------------------------------------------------------------- 73.2.1 主控制电路设计------------------------------------------------------------------------------- 73.2.2 驱动模块电路设计---------------------------------------------------------------------------- 83.2.3采集模块电路设计 ---------------------------------------------------------------------------- 83.2.4显示模块电路设计 ---------------------------------------------------------------------------- 93.2.5电源模块电路设计 -------------------------------------------------------------------------- 104.软件设计--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 104.1程序的设计 --------------------------------------------------------------------------------------------- 104.2.1程序功能描述与设计思路 ----------------------------------------------------------------- 104.2.2 程序流程图 ----------------------------------------------------------------------------------- 11 5测试方案与测试结果 ------------------------------------------------------------------------------------------ 125.1测试方案 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 125.2 测试条件与仪器 -------------------------------------------------------------------------------------- 125.3 测试结果及分析 -------------------------------------------------------------------------------------- 125.3.1测试结果--------------------------------------------------------------------------------------- 125.3.2测试分析与结论 ----------------------------------------------------------------------------- 14该系统为一个帆板控制系统，通过对风扇转速的控制，调节风力大小改变帆板角度。
帆板控制系统设计
帆板控制系统设计作者：王松林来源：《电子世界》2013年第04期【摘要】论文介绍基于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。
[1-2]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[3]。
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…
均 ｔ 妇
随 电枢 电压 升 降而 发 生相 应 的升 降变 化 。 不 同 电枢 电压 的机 械特 性 曲线 相 互平 行 ，
…
鼍 夺■
图２ － １直流电动机机械特性曲线
说 明硬度 不 随 电枢 电压 的 变化 而 改变 ， 电 机 带 负载 能 力恒 定 。当我 们平 滑 调节 他 励 参考文献 １ ］ 宋文绪， 杨帆． 自动检测技术【 Ｍ】 ． 北京： 高等教育出版 直 流 电机 电枢两 端 电压 时 ，可 实 现 电机 的 ［ ２ ０ ０ ８ ． 无 级 调 速 。基 于 以上 特 性 ， 改 变 电枢 电 社 ，
Ａ ｎ 一一 理 想空载 转速 、转 速 降 。
分析 （ １ ） 式可 得 ． 当分 别 改变 ￡ ， Ⅳ 、 （ ２ ） 指标 完成情 况 和 时 ，可 以得到 不 同 的转速 ｎ ，从 而 实 本题 的指标 主 要是 帆板 倾 角 的测量 误 现 对速 度 的调节 。 由于 ＝ Ｔ ，当改变 励磁 差 。经 测 试 ， 测试 数 据 及 计 算 结 果如 表 ｌ 电流 ｆ ， 时 ， 可 以改 变 磁通 量 ≯ 的 大 小 ，从 所 示 。 而 达 到变 磁 通调 速 的 目的 。但 由于励 磁 线 ２ ． ４ 结果 分析 圈发 热和 电动机 磁饱 和 的 限制 ，电动 机 的 励 磁 电流 和 磁 通 量 ≯ 只 能在 低 于 其 额 定 值 的 范 围 内调节 ，故 只能 弱磁 调 速 。而对 于 调节 电枢 外加 电阻 时 ，会 使 机械 特 性 变 软 ，导 致 电机 带 负载 能 力减 弱 。对 于 他 励 直流 电机 来 说 ，当改 变 电枢 电压 时 ， 分 析 人为 机 械特 性 方程 式 ，得 到 人为 特 性 曲线 一 。
本 设计 采 用Ｓ Ｔ Ｃ ８ ９ Ｃ ５ ２ 进 行控 制 比较 简 单 、易 控制 、可靠 性 高 、抗 干扰 能力强 、
器 的ｘ 轴或Ｙ 轴 位置 相 对于 重 力场 发生 变 化 时 ，重 力 将在 相应 的方 向上 产生 分 量 ，测 量 两个 方 向 的重力 分 量 ，可 以计 算 出沿 相 应轴 向的倾角 变化 。 ２ ． 系 统测试
振荡 器和 时钟 电路 。 电路框 图如 图 １ 。 １ ． 理论 分析 与计 算 １ ． １直 流 电机调 速 原理 分析 精 度 高 且体 积 大大 减 小 。输 出速 度 的 调节 是通 过键 操 作 ，显 示速 度 。Ｓ Ｔ Ｃ ８ ９ Ｃ ５ ２ 是一 根 据 励磁 方 式不 同，直 流 电机 分 为 自 种 带４ Ｋ 字节 闪烁 可编 程 可擦 除 只读 存 储器 励 和他 励 两种 类 型 。不 同励 磁 方 式 的直流 的低 电压 ， 高性 ￣ ￣ Ｍ Ｏ Ｓ ８ 位 微 处 理 器 一一 电机 机 械 特性 曲线有 所 不 同 。对 于直 流 电 具有 ４ Ｋ 字节 可 编程 闪烁存 储 器 ，可 擦 除 的 机来 说 ，人 为机械 特性 方程 式为 ：
表１帆板倾角数据误差表
传感器测量 角度 实际测量角度
２ ５ ３ ０ ４ ５ ５ ５ ２ ４ ． ５ ２ ９ ４ ４ ５ ４
，
功 能逐 项测 试法 ：根 据 题 目要 求 ，依 次逐 项测 试系 统功 能 。 数据 实 测计 算法 ：使用 量 角器 实时 测 额 定 电枢 电压 、额定 磁通 量 ，并将 其 与传 感器输 出数 值进 行 比较 。
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
．
皇 越 ． 盟＿
基于单片机 的帆板控制设计
许 昌职业技 术学院
性高、抗干扰能力强、精度高且体积大大减小。
【 关键 词】８ ９ Ｃ ５ ２ 单 片机 ；角度传 感器 ；控制
张芝雨
张松枝
【 摘要 】本设计需要使用 的软件资源比较简单 ，只需要完 成编码器采 样部分、键盘控制部分 以及 显示输出功能。采用Ｓ Ｔ Ｃ ８ ９ Ｃ ５ ２ 进行控制 比较简单、 易控制、可 靠
２ ． １测试仪 器 测试 仪器 ：量角 器 。 ２ ． ２ 测试 方案
的 只读 存储 器 （ Ｐ Ｅ Ｒ Ｏ Ｍ ） 。Ｓ Ｔ Ｃ 的Ｓ Ｔ Ｃ ８ ９ Ｃ ５ ２ 是 种 高 效微 控 制器 。Ｓ Ｔ Ｃ ８ ９ Ｃ ５ ｌ 单片 机 为很 多 嵌 入 式 控 制 系 统 提 供 了一 种 灵 活 性 高
如 图２ — １ 、２ － ２ 所 示 ，理 想 空载 转速 ｎ
图１电路组成框图
通过 测 试 、计 算和 分析 ，该设 计 系统 能够完 成题 目要 求 的全部基 本功 能 。 ３ ． 总 结 在 帆板 控制 系 统的 设计 过 程 中 ，采 用 了ｌ 片Ｓ Ｔ Ｃ 公 司 的Ｓ Ｔ Ｃ ８ ９ Ｃ ５ １ 单片 机作 为 系统 的控 制器 件 ；角 度检 测采 用 飞 思卡 尔公 司 Ｍ Ｍ Ａ ８ ４ ５ １ Ｑ 作为 帆板 倾角 的 角度 检测 单元 ； 显 示 器和 键 盘组 成 人机 界面 ，通过 按键 调 节 单 片 机 输 出Ｐ Ｗ Ｍ 信 号能 够 控 制风 扇 电机 转 速 ，用 以控 制 帆板 的 翻转 角 度 。该 设计 均 达 到赛题 要求 的所 有基本 功 能 。
一
：
—
一
± ，： 一△ ， ｚ
（ １ ）
Ｋ Ｎ Ｋ ｅ Ｋ ｔ 贰
式 中：
一 一
且 价 廉 的 方 案 。三 级 程 序 存 储 器 锁 定 、 １ ２ ８ ＊ ８ 位 内部 Ｒ ｈ Ｍ 、３ ２ 可 编程 Ｉ ／ ０ 线 、 两个 量 ： １ ６ 位 定 时器 ／ 计数 器 、５ 个 中断源 、可 编程 串 行通 道 、低 功 耗 的闲 置和 电模 式、 片 内
２ ． ３ 测试 结果 （ １ ） 功 能 完成情 况 经测 试 ，系 统 可完 成题 目中要 求 的基 本 和发挥 部分 的全 部功 能 。
一
一
，
一
一
，
与 电机 有关 的常 数 ； 电枢 外加 电阻 、 电枢 内电
阻：
ｎ 。，
调节误差
２ ％ ３ ． ４ ％ ２ ． ２ ％ ｌ ＿ ９ ％