2011年9月2日 电子竞赛论文

第五届广西大学生电子设计竞赛帆板控制系统（F题）设计报告(高职高专组)参赛院校：参赛队号：参赛队员：指导教师：日期：F题帆板控制系统摘要：该帆板控制系统以STC89C52单片机为控制核心，由矩阵键盘输入模块、LCD1602液晶显示模块、8位A/D转换模块、功率放大模块、角度转换模块、直流稳压电源、电机及报警模块组成；通过键盘输入帆板摆动的角度值、用A\D采集角度传感器的电压变化值作反馈信号、采用STC89C52对键盘输入帆板摆动的角度值和A\D采集的电压变化值处理，用LCD1602显示帆板的角度值。

每转动到一个设定值时，还可以通过LCD1602显示出角度的大少并且有声光指示来报警。

关键词：STC89C52 A/D转换角度转换 LCD1602液晶显示一、系统方案论证与比较1、角度传感器模块选择方案一：采用板载MMA7361微型电容式角度传感器MMA7361L是一款低功耗，低姿态微机械电容加速度计具有信号调理，一1-pole低通滤波器，温度补偿。

MMA7361支持5V/3.3V电压输入，MMA7361角度感应灵敏，能更快的感应帆板变化角度，非常适合周边环境，启动和休眠都可以通过单片机IO口来控制；MMA7361能控制0-360°的变化，使用MMA7361L等数字输出加速度计时，从而可以节省系统成本和电路板面积，该芯片符号本设计的要求。

方案二：采用三轴数字倾斜角度模块 ADXL345模块重力角度传感器ADXL34是一款小巧纤薄的低功耗三轴加速度计，可以对高达±16 g的加速度进行高分辨率测量。

数字输出数据为 16 位二进制补码格式，可通过SPI （3 线或 4 线）或者I2C数字接口访问。

实现A/D控制方的数据采集，它具有高分辨率（4 mg/LSB），能够测量约0.25°的倾角变化。

结论：通过方案一与方案二的对比，MMA7361比ADXL34容易控制；而且方案一的MMA7361市场货源丰富，价格低廉，方案二市场货源缺乏价格相对昂贵。

所以本设计通过组员讨论选择方案一。

2、模数转换芯片选择方案一：用A/D0804芯片A/D0804是8分辨率的A/D转换集成芯片，这个A/D芯片具有价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点方案二：用MAX197芯片MAX197是12位、四路高精密并行A/D转换集成芯片，电压输出型；MAX197价格昂贵，控制有一定的难度，在控制时给编程设计者带来很大的编程难题。

结论：方案二具有不少优势，需然MAX197是12位分辨率；但是方案一和方案二所得到的输出电压精度都达到设计要求：输出电压对角度范围0—60°,分辨力为2°,绝对误差≤5°。

方案一使设计上可以更好地发挥，软件设计更加容易完成，性价比低，软件设计所花的时间相对方案二相对少。

所以本设计采用方案一。

3直流电机驱动模块及声光报警模块方案一：用大功率三极管2SA5200等分立元件做直流电机驱动电路，对转换器输出进行放大；输出稳定的功率来驱动12V直流电机，用普通的分立元件做声光报警电路。

方案二：用LM324运放对控制A/D输出的电压来进一步的放大，LM324运放放大电压后从而来驱动12V直流电机；驱动声光报警系统也采用LM324运放及一些分立元件对其驱动，一块芯片能同时以用与电机驱动及声光报警电路。

结论：方案二虽然可行电路简单，但是LM324输出的功率达不到本设计电机的所需的带动风扇的功率，由于电机功率达不到电机风扇的输出所需的风力并且元件容易发烫而且容易出错，带来的检修困难等问题。

而方案一可以在短时间内通过分立元件来设计好电机驱动电路，能输出电机风扇所需的所需功率，输出大电流容易控制电机风扇风力的大少；所以采用方案一。

3 键盘和显示模块方案一：本设计采用矩阵按键做键盘控制，通过键盘的输入控制采用LCD1602液晶来显示帆板的角度，用数字符或英语代码来表示电路设计要求的信息。

方案二：用独立键盘输入，用液晶LCD12864来显示电路的输入信息与输出信息。

液晶LCD12864内部集成很多文字及数字符号，对于现实文字的电路设计可采用此液晶显示模块。

结论：通过方案一与方案二的对比，发现方案一的性价比更有优势；为了节省单片机的I/O口，键盘采用矩阵键盘来控制本电路设计；为了让所有人都可以直接了解本设计电路控制方法及显示器显示出美观的人机界面，减少人们使用前的查阅时间，综合考虑等，采用方案一。

二、理论分析与计算1.电风扇控制电路1．电路设计1．1 单片机最小系统、报警模块设计图2-1如图1-1所示，控制核心为普通51单片机最小系统，通过单片机最小系统来接收输入信息和控制输出，其中最小系统有STC89C52、10U电容和高电平开关复位、12M晶振、电源组成。

声光报警电路由三极管开关驱动蜂鸣器、发光二极管工作。

1．2 A/D转换模块设计图2-2图2-2为数模转换模块，A/D0804是8位高精度数模转换器件，此芯片控制容易，可以实现高精度的步进电压输出。

ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型摸数转换芯片。

分辨率8位，转换时间100μs，输入电压范围为0~5V，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为5V。

该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU 数据总线上，无须附加逻辑接口电路。

1．3 12V直流电机驱动电路设计设计图2-3图2-3是电流放大驱动电机模块。

其工作原理：普通三极管8050经最小系统控制是否导通或截止，从而控制大功率三极管2SC5200的导通与截止的时间比，在电容10U与大功率三极管2SC5200集电极相连可以实现电压几乎不变电流变化功能。

电流放大电路弥补了数模转换模块输出功率低的不足。

但是还有电流检测电路，此电路输出稳定的电流系统，达到电机的所需功率。

1．4矩阵键盘模块设计图2-4图2-4为矩阵键盘。

矩阵键盘的使用，在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，图2-4所示。

在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。

这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。

由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。

1．5 输入电源图2-5图2-5为整个电系统的供电电源和参考电压电路。

1．6液晶1602显示电路设计图2-61602字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2， 20*2和40*2行等的模块，但在本设计采用16*2，显示效果比一般数码管更有人机界面，清晰明了。

2．系统框图图2-63．风扇支架设计根据本设计要求，在此帆板的支架设计用木板做成门字形，将帆板挂在门字形上边；而风扇则是订在正对着帆板的正前方上并且与门字形支架同在一个水平面上。

3．软件流程图？？？？图2-7 三、系统调试1．测试仪器数字示波器数字万用表量角器、尺子2．测试数据．1基本部分测试数据（1）手动控制帆板测试（2）键盘操作控制帆板测试间距d=10cm时（3）间距d=10cm时,稳定在45±5度10秒内完成2．2发挥部分（1）间距d=10cm时,稳定在角度5秒内完成最大误差在5°内（1）间距d在7~15CM范围内任意选择5秒内完成最大误差在5°内。

（3）间距d在15—20CM任意选择5秒内完成最大误差在10°内。

3．结果分析经过分析，题目的基本要求部分可以全部实现，并且发挥部分也基本可以实现，甚至有些部分比题目要求的还要好。

做得最好的是，输出角度值在满度时的误差：|输出值－显示值|都达到设计要求。

还有一个很好的是，在调试过程中，发现了一个问题：电路地线的微小电阻引起的角度显示输出不相称。

发现这个问题，我们另外从电容引出地线到输出端，非常巧妙地解决了这个问题。

参考文献[1]模拟电子技术基础/刘慰平主编——北京：北京理工大学出版社，2008.2[2]数字电子基础/杨志忠主编。

——3版.——北京：高等教育出版社，2008.6[3]51单片机C语言常用模块与综合系统设计实例/于永，戴佳，常江编著，北京：电子工业出版社，2007.4[4]protel99SE原理图与PCB设计/曹丙霞，赵艳华编著，——北京：电子工业出版社，2007.5部分元件清单：附件二：部分程序#include <reg52.h>//包含头文件#include <intrins.h>#define uchar unsigned char #define uint unsigned int uint table[6]={0};uchar code xianshi[]={ "主要功能"" 1、设置输出值"" 2、设置步进""请选择功能：""请输入电压值："};uchar code xianshi1[]={ "功能1""直接输出值功能""输入电压值为"};uchar code xianshi2[]={ "功能2""步进功能""输出电压值为"};uchar code xianshi3[]={ "警告""有短路或是超负载""稳压电路进入保护""状态请检查后再试"}; sbit lcdrs=P2^5;sbit lcdrw=P2^6;sbit lcde=P2^7;sbit lcdpsb=P2^4;sbit lcdrst=P2^3;sbit beer=P2^0;sbit jiance=P2^1;sbit LDAC=P1^4;sbit CSMSB=P1^0;sbit CSLSB=P1^1;sbit WR0=P1^2;sbit A0=P1^3;uchar num,temp,flag,cc,vv; int aa;void delay(uint i)//延时函数{while(i--);}void delay1(uint z){uint x,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=110;y>0;y--);}void speaker(){uchar i;for(i=0;i<50;i++){beer=1;delay(150);beer=0;delay(100);beer=1;}}void delay2(uint z){uint x,y;for(x=z;x>0;x--){for(y=50;y>0;y--);speaker();}}void write_lcd(uchar date,uchar com) //lcd12864指令数据写命令函数{lcde=0;lcdrw=0;lcdrs=com;delay1(1);P0=date;delay1(1);lcde=1;delay1(1);lcde=0;}void init_lcd() //lcd12864初始化{delay1(45);lcdpsb=1;lcdrst=0;delay(10);lcdrst=1;delay(10);write_lcd(0x30,0);delay(110);write_lcd(0x30,0);delay(57);write_lcd(0x08,0);delay(110);write_lcd(0x10,0);delay(110);write_lcd(0x0c,0);delay(110);write_lcd(0x01,0);delay1(10);write_lcd(0x06,0);delay(110);}void init(){uchar i,sum=0;EA=1;TMOD=0x01;ET0=1;TR0=1;TH0=(65536-5000)/256;TL0=(65536-5000)%256;init_lcd();delay(100);write_lcd(0x80+2,0);for(i=0;i<8;i++){write_lcd(xianshi[sum],1);sum++;}write_lcd(0x90,0);for(i=0;i<14;i++){write_lcd(xianshi[sum],1);sum++;}write_lcd(0x88,0);for(i=0;i<12;i++){write_lcd(xianshi[sum],1);sum++;}write_lcd(0x98,0);for(i=0;i<12;i++){write_lcd(xianshi[sum],1);sum++;}}void main(){init();while(1){cc=keyscan();write_lcd(0x98+6,0);if(cc==1||cc==2){write_lcd(0x30+cc,1);flag=0;}if(cc==1)set();if(cc==2)step();}}uchar keyscan(void)//键盘扫描函数，使用行列反转扫描法{uchar cord_h,cord_l;//行列值P3=0x0f; //行线输出全为0cord_h=P3&0x0f; //读入列线值if(cord_h!=0x0f) //先检测有无按键按下{delay(100); //去抖if(cord_h!=0x0f){flag=1;// beer=1;speaker();cord_h=P3&0x0f; //读入列线值P3=cord_h|0xf0; //输出当前列线值cord_l=P3&0xf0; //读入行线值temp=cord_h|cord_l;switch(temp){case 0x7e:num=0;break;//0 按下相应的键显示相对应的码值case 0x7d:num=1;break;//1case 0x7b:num=2;break;//2case 0x77:num=3;break;//3case 0xbe:num=4;break;//4case 0xbd:num=5;break;//5case 0xbb:num=6;break;//6case 0xb7:num=7;break;//7case 0xde:num=8;break;//8case 0xdd:num=9;break;//9case 0xdb:num=10;break;//acase 0xd7:num=11;break;//bcase 0xee:num=12;break;//ccase 0xed:num=13;break;//dcase 0xeb:num=14;break;//ecase 0xe7:num=15;break;//f}while(temp!=0x0f){P3=temp|0x0f;temp=P3;temp=temp&0x0f;}// beer=0;}}return num; //返回该值}。