帆板控制系统(F 题)
电赛论文最终.
帆板控制系统设计（F题）摘要：本系统以单片机STC12C5A48S2为控制核心及数据处理核心,采用加速度传感器MMA7260作为角度检测的核心器件,设计并制作了一个帆板控制系统。
以L293构成电机的电路，通过对风扇转角的控制，调节风力的大小，改变帆板的转角θ。
可以通过键盘设置帆板转角0～60o，并在LCD上实时显示θ。
使用了PID算法，使系统能快速达到稳定。
由于采用了低功耗单片机，并且使用了一些高性价比、低功耗的器件去设计电路，因此本放大器具有成本低，功耗小，性价比高的优点。
关键词：控制系统；角速度传感器；单片机；PID；一、方案比较与选择题目分析：综合分析题目要求，转动帆板时，实现实时显示角度，且能够通过键盘控制风力，是本题的最大难点，也是设计的重点之一。
另一难点是使帆板转角达到60o。
要得到更好的性能指标，放大电路的零点漂移也是一个很难解决的问题。
此外，在整个电路的设计中，要考虑其成本。
1、数据处理和控制核心选择方案一：采用DSP最小系统板。
即由DSP来实现电机的控制、传感器信号采集和人机界面控制等功能。
方案二：采用单片机STC12C5A48S2最小系统板。
即由单片机STC12C5A48S2实现整个系统的统一控制和数据处理。
本系统不涉及大量的数据存储和复杂处理，虽然方案一控制更灵活更方便，但DSP的资源得不到充分利用，且系统规模大，成本高。
而单片机STC12C5A48S2是一种8位低功耗微、高性能处理器，具有丰富的片上外设和较强的运算能力，且可串口编程，使用十分方便，性价比高。
综上所述，故采用方案二。
2、角度传感器的比较与选择方案一：角度传感器KMZ41与信号调理芯片UZZ9001组成的角度采集模块。
KMZ41与信号调理芯片UZZ9001一起,能够对180°范围内的角度信号进行测量,并利用SPI方式提供11位的角度信号输出。
调试繁琐，且电路稳定性差。
方案二：采用MMA7260三轴加速度传感器。
高精度帆板控制系统的设计
高精度帆板控制系统的设计作者：刘永锋来源：《电子世界》2013年第10期【摘要】帆板控制系统主要是由AT89S52单片机、角度传感器、AD转换、键盘电路、显示电路及声光提示等电路组成。
角度传感器采用型号为WDD354D的精密导电塑料电位器，其功能是把角度机械位移量转换成电信号。
AD转换电路用的是具有12位分辨率的TLC2543，该芯片将角度传感器输出的模拟信号转换成数字信号，单片机采集数字信号对帆板系统电路进行控制。
键盘电路由4*4矩阵键盘组成，用于调节风扇风力大小和帆板转角。
用LCD12864作为显示器，来显示帆板的转角，显示分辨力达到0.1度。
风扇由直流电机控制，对转速进行调节从而使帆板的转动角度在7-15cm范围内可以精确调节。
【关键词】帆板控制系统；单片机；角度传感器1.引言本文是对帆板控制系统的设计，该课题来源于2011年全国大学生电子设计竞赛的F组题目之一。
大赛要求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。
2.系统方案设计与论证2.1 系统方案设计本系统主要目标是实现对风扇转速的控制来控制帆板的转角及其它一些相关功能。
该系统采用了能支持在线下载的AT89S52单片机。
角度传感器采用型号位WDD354D的精密导电塑料电位器，其功能是把角度机械位移量转换成电信号。
AD转换电路用的是具有12位分辨率的TLC2543，该芯片将角度传感器输出的模拟信号转换成数字信号，单片机采集数字信号对帆板系统电路进行控制。
键盘电路由4*4矩阵键盘组成，用于调节风扇风力大小和帆板转角。
用LCD12864作为显示器，来显示帆板的转角。
声光提示由发光二极管和蜂鸣器组成。
风扇由直流电机控制，容易对转速进行调节。
帆板控制系统框图如图2所示。
2.2 系统方案论证2.2.1 处理器的论证与选择本系统主要目标是实现对风扇转速的控制来控制帆板的转角及其它一些相关功能。
实现题目中的要求既可以采用单片机实现该功能，也可以利用数字电路、模拟电路的相关理论实现该功能。
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。
2011年F题 帆板控制系统(杨甲明)
2011年全国大学生电子设计竞赛帆板控制系统【F题】【高职高专组】参赛编号105215赛区河南赛区组别高职高专组题目帆板控制系统2011年9月3日2011年F题帆板控制系统本系统采用高性能、低功耗、内含8路10位A/D的单片机芯片A VR ATMEGA128作为系统的主控芯片，设计帆板控制系统，通过单片机编程生成PWM控制风扇的转速，调节风力大小，吹动帆板摆动。
经过测试，作品达到了题目基本要求。
帆板控制系统设计报告摘要：该文是一个帆板控制系统设计报告。
以AVR ATMEGA128单片机最小系统板作为系统的主控电路，包括按键显示电路。
采用专用电机驱动芯片L298N作为FFC1212DE直流风扇的驱动电路，用高精度角度传感器WDD35D4实时检测帆板偏转角度，将偏转角度转化为电压信号。
通过AVR ＡＴMEGＡ128单片机其自带的A/D转换，将采样到的电压信号进行数字滤波算法分析，转换输出帆板偏转的角度。
用单片机生成PWM控制脉冲，通过控制PWM的占空比控制风扇的风速大小。
并用LCD1602液晶实时显示测量的角度。
控制算法采用数字滤波算法和PID积分算法。
经过测试，作品达到了题目的要求。
关键词：单片机；PWM控制；帆板；角度控制The Panels Control System Design Report Circuit (Subject group electrical，Department of electric information engineering，Henan Institute ofEngineering，Zhengzhou，Henan，450005)Abstract：This system is a panels control system design. With A VR ATMEGA128 single-chip processor is proposed as a minimum the system board of the system, the main control circuit with the necessary buttons show circuit. Using special motor drive chip L298N as FFC1212DE dc fan driver circuit, with high precision Angle sensor WDD35D4 real-time detection deflection Angle deflection, the panels will be Angle into voltage signal. Through the A VR ATMEGA128 single-chip processor is proposed its own A/D conversion, will the voltage signal sampling to digital filtering algorithm analysis, the Angle of output conversion panels deflection. With single-chip computer PWM control pulse generating, through the control of PWM duty ratio control fan of the wind speed size. And LCD1602 liquid crystal displays real time measurement of the Angle. Control algorithm USES digital filter algorithm and integral PID algorithm. After the test, the work to subject demand.Keywords：Single-chip microcomputer；PWM control；The panels；Turn control目录1系统方案 (4)1.1 电机驱动模块的论证与选择 (4)1.2 角度传感器的论证 (4)1.3 显示模块的论证 (4)1.4 风扇模块的论证 (4)1.5 电源模块的论证 (4)2理论分析与计算 (4)2.1 风扇控制电路 (4)2.2 角度测量原理 (5)2.3 控制算法 (5)3电路与程序设计 (6)3.1总体原理图 (6)3.2风扇控制电路设计 (6)3.3控制算法与实现 (7)3.4程序流程图 (11)4测试方案与测试结果 (7)4.1测试方案 (8)4.2 测试条件与仪器 (9)4.3 测试结果及分析 (10)5设计总结 (10)6整体测试 (10)附录1：电路整体图 (11)附录2：显示效果图 (11)参考文献 (12)1、系统方案按照题目的基本要求，设计并制作一个帆板控制系统，控制风扇的转速，使帆板发生角度偏移并用液晶实时显示测量角度，并且可以通过按键设定帆板要达到的角度。
帆板控制系统
帆板控制系统1. 简介帆板控制系统是一种以船帆为动力的船只导航系统，通过控制帆的角度和位置来控制船只的方向和速度。
本文档将介绍帆板控制系统的工作原理、系统组成和控制方法。
2. 工作原理帆板控制系统的工作原理基于侧推力的产生。
当帆被倾斜或转动时，风的作用力将使帆板受到侧向的推力，从而改变船只的运动方向和速度。
通过控制帆的倾斜角度和转动角度，可以实现对船只的精确控制。
3. 系统组成帆板控制系统主要由以下几个组成部分构成：3.1 帆板帆板是帆板控制系统的核心组件，可以通过调整角度和位置来调节船只的运动。
帆板一般由轻质、坚固的材料制成，以保证系统的稳定性和耐用性。
3.2 帆索帆板和船体之间由帆索连接，帆索起到支撑和传递力量的作用。
帆索通常采用强度高、耐久性好的材料制成，以确保帆板能够承受风的作用力并保持稳定。
3.3 控制杆控制杆用于控制帆板的倾斜角度和转动角度。
通过控制杆的操作，船员可以根据需要调整帆板的角度和位置，从而实现对船只运动的控制。
3.4 风向指示器风向指示器用于监测风的方向，以便船员及时调整帆板的位置。
风向指示器通常采用旋转式或电子式的设计，可以准确地指示风的方向和强度。
4. 控制方法帆板控制系统有多种控制方法，常用的控制方法包括：4.1 高度控制高度控制是指通过调整帆板的倾斜角度来控制船只的运动高度。
倾斜角度越大，船只的运动高度越高；倾斜角度越小，船只的运动高度越低。
船员可以根据需要调整倾斜角度，以实现对船只高度的精确控制。
4.2 转向控制转向控制是指通过调整帆板的转动角度来控制船只的运动方向。
当帆板与船体垂直时，船只将保持直线运动；当帆板转动一定角度后，船只将改变方向。
船员可以通过控制杆来调整转动角度，从而实现对船只转向的控制。
4.3 速度控制速度控制是指通过调整帆板的倾斜角度和转动角度来控制船只的运动速度。
当帆板倾斜角度较大时，船只的运动速度较快；倾斜角度较小时，船只的运动速度较慢。
通过综合调整倾斜角度和转动角度，船员可以精确控制船只的速度。
帆板控制系统的设计
键 盘设 定 帆 板 转 角 ， 围 为 ０ 范 。～６。 ０ 。帆 板 转 角 ０ 可 以在 ５秒 内达 到设定值 ， 实时显 示 ｅ 并 。
… … － －
调节装置 ｌ 苻遐
……・ ●
卤 … Ｖ・ ● … … － 卜
图 １ 帆板控制系统示意图
２ 系统 的 总体 方 案 设计
文 设计 的帆 板控制 系统 ， 是在 室 内环 境下 工作 的 ， 即
① 用手转动帆板时， 能够数字显示帆板 的转角
０ 。显示范 围为 Ｏ ～ ｏ ， 辨率为 ２ ， 对误差 ≤５。 。 ６。分 。绝 。
② 当间距 ｄ ０ｃ ＝１ ｍ时 ， 通过操作键盘控制风 力大小 ， 使帆板转角 ０ 能够在 ０ ～ ０范围内变化 ， 。 ６。 并可 以实 时显示 ０ 。
③ 当间距 ｄ＝１ ｍ 时 ， 过 操 作 键 盘控 制 风 ０ｃ 通
不 考虑 外界条 件对 系统 的影 响 。该 帆板控 制 系统可 以通过 对风 扇转速 的控 制 ， 节风力 大小 ， 调 改变 帆板 转 角 ｅ该 帆板 控制 系统示 意 图如 图 １所示 。 ，
＾
… …
力大小 ， 使帆板转角 ０ 稳定在 ４ 。 ５范围内， ５± 。 可以 实时显 示 ０并 可 以进行声 光提 示 。 ， ④ 间距 ｄ ７—１ ｃ 在 ５ ｍ范围内任意选择 。 通过
帆板控制系统的设计与优化
帆板控制系统的设计与优化帆板控制系统是指用于控制帆板的定向和角度，以便最大化利用风能的系统。
下面将为您详细介绍帆板控制系统的设计和优化。
一、帆板控制系统的设计1. 确定帆板控制系统的目标：在设计帆板控制系统之前，需要明确控制系统的目标是什么。
例如，是否追求最大化功率输出，还是追求最大化航行速度。
2. 选择帆板控制器：帆板控制器是指用于控制帆板角度和定向的设备。
常见的帆板控制器有手动控制器、自动控制器以及智能控制器。
根据实际需求选择合适的控制器。
3. 设计帆板支架和传动系统：帆板支架是用于连接帆板和控制器的框架结构，传动系统则是用于将控制器的信号传递给帆板。
在设计过程中，需要考虑支架的强度和稳定性，并选择适合的传动方式，如电动传动、液压传动等。
4. 选择传感器：传感器是帆板控制系统的重要组成部分，用于感知环境和帆板状态。
常见的传感器包括风速传感器、陀螺仪、倾斜传感器等。
根据实际需求选择合适的传感器，并将其与控制器进行连接。
5. 确定控制算法：控制算法是帆板控制系统的核心部分，用于根据传感器数据和目标要求，计算出控制信号控制帆板的运动。
常见的控制算法包括PID控制算法、模糊控制算法等。
根据实际需求选择合适的控制算法，并对其参数进行优化。
二、帆板控制系统的优化1. 优化控制算法：控制算法的优化是提高帆板控制系统性能的关键。
可以通过调整控制算法的参数，如比例系数、积分时间常数和微分时间常数等，来提高系统的响应速度和稳定性。
此外，可以采用自适应控制算法，根据实时环境和帆板状态调整控制策略。
2. 优化传感器：传感器的性能和准确度对系统的控制精度有重要影响。
可以通过选择更精准的传感器、增加传感器的采样频率以及提高传感器的信噪比，来提高系统的控制精度。
3. 优化帆板支架和传动系统：帆板支架和传动系统的优化可以提高帆板控制系统的稳定性和可靠性。
可以通过改善支架结构的刚性和稳定性，选择更高效的传动方式（如直线传动、螺旋传动等），来减小系统的能耗和成本，并提高系统的性能。
帆板控制系统报告
帆板控制系统摘要：系统采用了宏晶科技公司生产的STC单片机作为帆板控制系统的控制核 ,选用了SCA103T-D0２高精度倾角传感器。
测量帆板的倾角，该传感器具有高灵敏度，耐恶劣环境、性能稳定等优点。
风扇采用电吹风36V直流轴流电机，显示与输入采用TFT（触摸屏）2.4寸彩屏，使用方便。
系统控制采用二分查找定位与线性微调相结合的算法，采集帆板倾角角度反馈控制风扇转速，最后的实验表明，系统响应速度快，精度高，实现了基本设计要求与发挥部分的全部要求。
关键字：STC单片机 SCA103T-D0２倾角传感器二分法帆板控制系统（F题）【高职高专组】一、总体方方案设计本系统主要由角度检测模块、电机控制模块、声光提示模块、触摸屏模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1角度检测模块的论证与选择方案一：采用SCA103T-D02高精度倾角传感器。
高精度倾角传感器具有高灵敏度，耐恶劣环境、性能稳定。
方案二：采用导电塑料电位器即角度传感器。
使用方便、机械角度范围大、耐高温等优点，但有效角度340°±5°阻值误差10%，误差较大。
所以放弃此方案。
综合以上两种方案，选择方案一。
1.2电机控制模块的论证与选择方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。
但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。
更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。
这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
方案三：采用由达林顿管组成的H型PWM电路。
用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。
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F-1
2011 年全国大学生电子设计竞赛试题
参赛注意事项
（1）2011 年8 月31 日8:00 竞赛正式开始。
本科组参赛队只能在【本科组】题目中任选一题；
高职高专组参赛队在【高职高专组】题目中任选一题，也可以选择【本科组】题目。
（2）参赛队认真填写《登记表》内容，填写好的《登记表》交赛场巡视员暂时保存。
（3）参赛者必须是有正式学籍的全日制在校本、专科学生，应出示能够证明参赛者学生身份
的有效证件（如学生证）随时备查。
（4）每队严格限制3 人，开赛后不得中途更换队员。
（5）参赛队必须在学校指定的竞赛场地内进行独立设计和制作，不得以任何方式与他人交流，
包括教师在内的非参赛队员必须迴避，对违纪参赛队取消评审资格。
（6）2011 年9 月3 日20:00 竞赛结束，上交设计报告、制作实物及《登记表》，由专人封存。
帆板控制系统（F 题）
【高职高专组】
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θ能够在0~60°范围内变化，并要求实时显示θ。
（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
d
调节装置
转速控制风
力
角度检测信号
转轴
帆
板
风扇
θ
键盘数字显示
F-2
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。
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°。
（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°。
（3）其他。
三、说明
（1）调速装置自制。
（2）风扇选用台式计算机散热风扇或其他形式的直流供电轴流风扇，但不能选用带有自动调速功能的风扇。
（3）帆板的材料和厚度自定，固定轴应足够灵活，不阻碍帆板运动。
帆板形式及具体制作尺寸如图2 所示。
帆板
10 cm
15 cm
固定轴
图2 帆板制作尺寸图
四、评分标准
设计
报告
项目主要内容满分
系统方案风扇控制系统系统总体方案设计 3
理论分析与计算
风扇控制电路
角度测量原理
控制算法
5
F-3
电路与程序设计
风扇控制电路设计计算
控制算法设计与实现
总体电路图
6
测试方案与测试结
果
调试方法与仪器
测试数据完整性
测试结果分析
4
设计报告结构及规
范性
摘要
设计报告正文的结构
图表的规范性
2
总分 20
基本
要求
实际制作完成情况 50
发挥
部分
完成第（1）项 20
完成第（2）项 25
其他 5 总分 50 __。