1、 海 南 师 范 大 学 本 科 生 毕 业 论 文 题目 : 智能抗风广告牌的设计 姓 名： 吴 剑 学 号： 20110606014X 专 业： 自 动 化 年 级： 2011级 学 院： 物理与电子工程学院 完成日期： 2015 年 5月 指导教师： 盖 志 武（教授） 本科生毕业论文（设计）独创性声明 本人声明所呈交的毕业论文（设计）是本 人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文中没有抄袭他人研究成果和伪造数据等行为 。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 论文（设计）作者签名： 吴 剑 日期：
2、2015年 5 月 5 日 本科生毕业论文（设计）使用授权声明 海南师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文（设计）的复印件和磁盘，允许毕业论文（设计）被查阅和借阅。本人授权海南师范大学可以将本毕业论文（设计）的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复印手段保存、汇编毕业论文（设计）。 论文（设计）作者签名： 吴 剑 日期： 2015 年 5 月 5 日 指 导 教 师 签 名： 盖志武 日期： 2015 年 5 月 5 日 目 录 1. 引言 . 1 2. 硬件设计 . 2 2.1 硬件整体方案设计 . 2 2.2 电源模块 . 3 2.3 单片机最小系统
3、模块 . 5 2.3.1 单片机 MK60DN512VLQ10 . 5 2.3.2 单片机最小系统电路 . 5 2.4 电机驱动系统 . 7 2.4.1 BTS7970B 电机驱动芯片 . 7 2.4.2 HD74LS244 三态缓冲器 . 8 2.4.3电机驱动电路 . 9 2.4.4 370 减速电机 . 10 2.5 传感器的选择 . 11 2.5.1 风速传感器 . 11 2.5.2 限位开关传感器 . 12 2.6 键盘的设计 . 13 2.7 显示器 . 14 2.8 散热器 . 14 2.9 广告牌机械系统 . 15 2.9.1 广告牌的设计原理及使用说明 . 15 2.9.2
4、广告牌的机械原理 . 15 2.9.3 广告牌框架结构参数 . 16 3. 软件设计 . 17 3.1 总体程序流程图 . 17 3.2 程序设计 . 18 4. 系统及实物调试 . 25 5. 总结 . 26 参考文献 . 27 附图 . 28 智能抗风广告 牌的设计 作者：吴剑 指导老师：盖志武 教授 （海南师范大学物理与电子工程学院，海口， 571158） 摘要： 本次设计做的是基于单片机控制的智能抗风广告牌。该广告牌主要由 JL-FS2 风速传感器， MK60DN512ZVLQ10 单片机核心板， E18-D80NK 漫反射式红外光电开关， BTN7971B电机驱动模块，电源模块， 3
5、70 减速直流电机，广告牌框架等组成。当风速传感器检查到有广告牌承受不住的认为设置的风速时，把此信号传给单片机，由单片机处理后启动电机，收起广告牌。当红外开关 1 检测到广告牌已收完时，把此信 号传给单片机，经单片机处理后，控制电机使其停止。当风速传感器检测到强风已过后，把此信号传给单片机处理，单片机控制电机驱动，启动电机，展开广告牌，当红外开关 2 检测到广告牌已展开完，把此信号传给中央处理器，经过处理后控制电机停止。经调查，现今很多广告牌遇到强风，损失惨重。经试验，本广告牌可以很好地实现广告牌的收放，减少了很多的损失与浪费。 关键字：智能；抗风；广告牌； MK60；风速传感器 The de
6、sign of intelligent wind billboards Author: WuJian Tutor:professor Gai ZhiWu (Physics and Electronics Engineering Institute, Hainan Normal University，Haikou, 571158) Abstract： The design in my paper is a intelligent wind-resisted billboard based on the single chip processor microcomputer.The billboa
7、rd is consist of many parts,such as JL-FS2 wind speed sensor, MK60DN512ZVLQ10 MCU core board, E18-D80NK infrared diffuse reflection switch, BTN7971B motor drive module, power module, 370 direct current slowdown motor , billboard framework ,and so on.The design principle is when the wind speed sensor
8、 induct the wind speed is too much stronger than a artificial setting,this signal pass through the single chip. After processing by single-chip microcomputer,the motor start operating ,and then the billboard would be folded .As the infrared switch 1 receive the signal that the billboard has folded c
9、ompletely and transmit it to single chip.the motor stop working after date processing.With the same principle ,when wind speed sensor induct the gale has passed away,the signal will also pass through the single chip microcomputer which control the motor driver.By doing this the billboard will expand
10、 with the motor begin operate .As the infrared switch 2 receive the signal that the billboard has expanded 1 completely and transmit it to single chip.the motor stop working after dealing with date .According to a survey,there suffer great losses on billboard when meet powerful wind.After repeat tes
11、ting, my billboard cut down something unnecessary loss with the function of folding freely. Key words: intelligent ; Wind-resisted; Billboard ; MK60； wind speed sensor 1. 引言 广告牌的发展经历了一个悠久的过程。从最开始的一根竹竿上绑一块布插在自家店铺门前到后来的木框式广告牌再到钢结构广告牌，然后是现在普遍使用的LED 数字广告牌，人类一直在努力探索广告牌的最佳形式，因为随着商业时代的发展，人们深知广告对商品推广的重要性。虽然
12、广告行业已经步入网络数字时代，但户外广告牌仍有着不可或缺的重要性。 我们在高速公路、工业园区的出入口处，郊外的空地上，随处可见高高耸立的广告牌。目前市场上多采用传统钢式框架户外广告牌，其优点是打出的广告能迅速进入人们的眼帘，达到推广商品的目的。但其缺点也显而易见。首先，传统钢式户外广告牌笨重而庞大，需要很多钢材，还要占用大量土地，严重影响城市景观；其次，广告牌的维修更换很困难，高空作业非常危险，许多广告牌建好以后就任其存亡；最后，此种广告牌的抗风能力很差。在台风多发的季节或地区，很难抵御强风，报纸上经常报道广告牌倒塌事故。因为它的结构坚硬且庞大，遇强风后倒塌砸伤砸死路人和损坏房屋的现象比比皆是
13、。因此，传统钢式户外广告牌已经满足不了人们的需求。 于是，有人提出了一种采用电网供电的抗强风广告牌。其原理是将广告牌 的板面分割成几个展板，每个展板由电机控制。当强台风来袭时，由气象台将信息传输到广告牌上的信息接收处理装置，调整各子展板的迎风方向角，尽可能减小广告牌迎风面积。这种抗强风广告牌，相对于传统钢式广告牌来说，优点在于能抵抗一定程度的大风。但是它采用电网供电需要消耗大量电能，分割成几块展板整体显示效果差，另外当风级很大且风向不稳定时，子展板的迎风方向角也是不确定的，所以同样不能从根本上满足户外广告牌低成本高抗风性的要求。 目前还有一种百叶窗式抗强风广告牌。其原理是采用风速传感器测定风速
14、，自身判断风力从而带动广告牌牌 面的叶片做角度调整，实现风力荷载。同样存在2 展板分割成几块整体显示效果差的问题，当风向不确定时牌面角度调整同样不稳定，而且因为把广告牌分成很多子块，增加了广告牌损坏的可能性，无法真正实现抗强风。 据此，本课题拟设计一种智能抗强风独立户外广告牌。这种广告牌可以通过检测风速，当检测到有强风来临时，中控系统控制电机转动，收起广告牌，当检测到强风已过后，把信号传给中控系统，控制电机，把广告牌展开，以实现抗强风的功能。广告牌的收放，则是把广告的一端卷在一根由电机带动的轴上，电机带动轴转动，把广告布卷起。而广告的另一端 则是放一定中量的轴，以此来增加广告布的重量，以使广告
15、展开时更平整一些。此广告牌不必借助于气象台传输数据，且因为实现的是广告牌的自动收放，最大程度的减少了受风面积，能够真正实现抗强风的目的，展板整体显示效果好。可广泛应用于强风多发地区、海南及沿海台风多发地区，解决户外广告牌的安全问题。 2. 硬件设计 2.1 硬件整体方案设计 本次设计共有两大系统，一个是本次设计的控制系统，一个是广告牌的机械结构系统。其中控制系统部分由电源模块、单片机最小系统模块、传感器模块、电机驱动模块、显示模块和按键模块等组成，如图 2.1 所示是本人设计的控制系统整体框图。因为智能抗风广告牌的运行是需要系统电源模块、单片机最小系统等多个模块相互结合、按一定次序稳定工作才能
16、让广告牌智能识别强风的来去及自动收放，以实现智能抗风的目的。又由于每个模块都是不相同的，都有各自的特点，所以这几个模块都要有自己的方案。 在当今的生活中，到处都能看到电器产品，一个系统要运行，当然离不开电源，关于本系统所需电源，下文再做详细的介绍。系统要实现广告牌的智能抗风，只能通过风速传感器把检测到的有强风的这一信号发送给中央处理器，由中央处理器对数据进行处理，以控制 电机，才能实现智能收放广告牌。而广告牌的收放是否到位，主要靠本系统的两个 E18-D80NK 红外避障传感器检测到的信号来确定。本次设计的控制系统，以单片机 MK60DN512ZVLQ10 作为中央处理单元，是本3 次设计的信
17、息处理中心，是核心部件之一。 BTN7971B 电机驱动电路是单片机驱动电机的连接中点，只有通过 BTN7971B 芯片与单片机通讯，将单片机所给信号经过处理，才可以驱动电机运转，同时控制电机正反转也是由单片机发出信号控制的。为了便于维修人员现场维护，本系统还设计了显示部分，使用的是 OLED作为显示器。而 一个系统，再怎么智能，也需要人工控制的时候，所以本系统还设计了一个按键，以实现系统的手动和自动的切换。因为控制系统模块多，所需电源也多，避免不了部分器件会发热，因此，本人还给系统加了一个散热扇，用于本给整个控制部分散热。 当然，本次设计要实现的是户外独立广告牌的智能抗风，所以广告牌的框架结
18、构也是本次设计的核心部分的之一，它是系统的控制对象。 图 2.1 控制系统整体框图 2.2 电源模块 在本次设计中，由于整个系统所需要供电的模块很多，再考虑到各个模块对于电源的 需求量的标准不同，电压的轻微变化都会影响到模块处理的数据的精确度，因此，电源部分还得按每个模块对于电源的需求标准来做。 本此设计一共用了两个总电源，一个是本人利用变压器和 LM317 自制的由交流 220V 转成的 +1.25V 到 +24V 可调的直流稳压电源，本人购买的变压器是交流220V， 50HZ 输入，双 9V 交流输出。为了增大调压范围，本人把双 9V 交流输出合并起来，变成 18V 交流输出，我所设计出的
19、电源的电路原理图如图 2.2_1 所示。另一个是本人之前购买的 12V,1A 交流电源。 4 图 2.2_1 LM317 电压可调电路原理图 因为单片机需要的电源是 +3.3V，液晶显示屏也是需要 +3.3V 供电，而电机驱动芯片 BTS7970B 需要 +5V 供电，且两个红外避障传感器也是需要 +5V 供电。因此，本人用 LM317 所制成的电压可调电源，把电压调到 +7.5V 输出，然后用两片降压稳压芯片 LM1117IMP 做成两个 +3.3V 直流稳压电源，用三片降压稳压芯片LM2940CS 做成三个 +5V 直流稳压电源，五个电源都是由 +7.5V 经过降压稳压后而得的，切都是并在
20、一起的，如图 2.2_2 所示。另外， +7.5V 直流稳压电源还给整个系统的散热 扇供电。 图 2.2_2 +3.3V、 +5V 直流稳压电源电路原理图 而自己买的成品电源 12V， 1A 的交流电源，用于构成 2个子电源， 2 个子电源均由整流桥整流，通过 MC7812CT 稳压，最后输出直流稳压 +12V，如图 2.2_35 所示。经过整流稳压后的两个 +12V 子电源，一个用于给风速传感器供电，另一个用于给电机驱动模块供电，作为电机的驱动电压。 图 2.2_3 12V 直流稳压电路原理图 2.3 单片机最小系统模块 2.3.1 单片机的选择 单片机是硬件系统的主要控制核心 部件，是整个
21、系统的信息处理中央也是信息储存部分，尤为重要。单片机的选择不仅要根据实物设计的要求，而且要考虑实物的应用环境和一些其他因素。选择单片机时要考虑单片机所能够完成的功能、价格、供电电压、功耗、 I/O 口电平、管脚数目以及它的封装等因素。单片机的功耗可以从其电气性能参数中查到，根据单片机的供电电压模式来分，有5V、 3.3V 以及 1.8V 超低电压供电模式。为了能合理分配单片机的 I/O 口资源，在单片机选型时可以绘制一张引脚分配表，供之后的设计使用。 经过几天的考虑、粗略的计算及资料查阅后，决定采用飞思卡尔智能 车设计专用的 kinetis 系列单片机 MK60DN512VLQ10 作为本次设
22、计的中央控制处理器 ,它是系统的控制核心。这个单片机是最近市场上比较受欢迎的一款单片机，性能优越，功能强大，是最近几年才出品的 32 位单片机，采用 ARM Cortex-M4 内核，且具有丰富的资源，工作稳定，兼容性高，执行效率高等特点，完全能满足本系统的控制要求。 2.3.2 单片机最小系统 MK60 系列单片机最小系统由 MK60DN512VLQ10 单片机、外部振荡电路、复位6 电路和 +3.3V 电源等组成。在外部振荡电路中，单片机的 EXTAL32 和 XTAL32 管脚分别接至由 32.768MHZ 晶振和 18PF 电容构成的振荡电路两侧，为电路提供正常的时钟脉冲。单片机最小系
23、统中复位电路的作用是当程序出错、陷入崩溃、死循环等情况时，可使用复位键，重新启动。单片机最小系统不仅是单片机可以正常工作的基本要求，也是保护单片机其他的电路系统的保障，这就是每次使用单片机都必须使用该最小系统的原因。 但由于 MK60 的封装引脚较细密，又受本地电子元器件等资源条件限制，且为了使系统能更加稳定工作，本人并没有自己做单片机最小系统，而是使用北京龙邱科技的 MK60DN512ZVLQ10 核心板，此核心板已带单片机最小系统，能够稳定运行，可以很方便的使用，如图 2.3.2_1 所示。该核心板虽然可以正常运行，但是为了使次核心板能够更稳定更安全的正常运行，本人制作了此核心板的底座，使此板能够平稳的放置，且能够更方便的连接线路避免不慎短路，如图 2.3.2_2所示。 图 2.3.2_1 MK60DN512ZVLQ10 核心板 图 2.3.2_2 单片机最小系统核心板底座 PCB 图
