1、帆板控制系统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】帆板控制系统摘 要本设计为一种帆板控制系统，以 AT89C52 单片机作为控制平台，通过改变风扇的转速来改变帆板的偏转角度，并实时显示偏转角度。在模式一下，当用手改变帆板的偏转角度时，LCD 能实时显示偏转角度；在模式二下，通过按键调节风扇的转速，可实现帆板偏转 0 60的自由调节；模式三下，通过按键设置指定角度，控制风扇转速，使帆板的偏转角度达到设定值。本系统灵活可调、控制准确，性能稳定。关键词：自动控制 AT89C52 单片机 多级调速1目 录帆板控制系统1 系统方案本系统主要采用了闭环
2、控制系统对整个系统电路实现联动控制。闭环框图如图 1所示电路由控制模块、显示模块、驱动模块、传感器模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。直流电机液晶显示A T 8 9 C 5 2单片机模数转换驱动电路角度传感器图 1 闭环控制系统框图1.1 控制模块的论证与选择方案一：采用凌阳公司的 16 位单片机。方案二：采用 Atmel 公司的 AT89S52 单片机。对于方案一，它是 16 位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。但是价格比较贵。对于方案二，AT89C52 是一个低功耗、性能优良、价格便宜的 8 位单片机，片内含
3、8k 空间的Flash 只读存储器，具有 128B 的随机存取数据存储器（RAM） ，32 个 IO 口，3 个 16位定时器/计数器。89C52 还可工作于低功耗模式性价比很高，对于我们的使用它完全能满足要求。综合考虑采用方案二。 1.2 显示模块的论证与选择方案一：采用数码管显示角度，动态扫描显示方式。方案二：采用液晶显示屏 LCD 显示角度。对于方案一，该方案成本低廉，显示角度明确醒目，功耗低，显示驱动程序的编写也相对简单。不足之处是数码管可以显示的字符有限，显示单一。对于方案二，液晶显示屏具有显示字符优美，不但能显示数字还能显示字符甚至图形的优点，人机界面友好，这是数码管无法比拟的。综
4、合考虑采用方案二。1.3 驱动模块的论证与选择方案一：采用 MOS 管驱动电路。方案二：采用 LM298N 电机驱动芯片，LM298N 可以通过单片机实行 PWM 调速。1 1对于方案一，由于 MOS 管的三个管脚之间有寄生电容存在，寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要考虑有效接地。方案二，LM298N 是专门的电机驱动芯片，能连接主控芯片实现电机转速的实时调节，该芯片驱动能力强劲，性能稳定，完全用程序进行控制。综合考虑采用方案二。1.4 传感器模块的论证与选择方案一：采用光电二极管电路，接收光信号的多少和帆板偏转的角度成正比，并将光信号转换为电压信号，来反映角度的变化。方案二：采用
5、 SC60C 角度传感器专用芯片，通过角度的改变输出的电压相应发生变化。它的抗冲击能力强，能耗低，性能稳定。对于方案一，该电路结构简单、价格低廉。但在实际运用中测量精度太小，环境适应能力不高，无法满足系统要求。对于方案二，该芯片性能稳定，测量精度高，外围元件少，使用方便，符合要求。综合考虑采用方案二。1.5 电源模块的论证与选择方案一：采用 12V 直流电池经 7805 稳压后给单片机和其他芯片供电。方案二：采用 220V 交流电经变压器降压，整流后再采用 LM2576 将电压稳至 5V和 12V。对于方案一，7805 压降过大，使 7805 消耗的功率过大，导致 7805 发热量过大。对于方
6、案二，2576 的输出电流最大可至 3A，完全满足系统要求。综合考虑采用方案二。1.6 系统模块选择总体论述综上所述，本系统采用 AT89C52 单片机为主控芯片，L298N 为电机驱动芯片，12V 的直流电机，SC60C 角度传感器，ADC0809 模数转换芯片，和 LCD1602 液晶显示面板最终构成完整的帆板控制系统电路。2 系统理论分析与计算2.1 电机转速的分析本系统通过调节电机的转速来控制帆板偏转的角度。采用直流电机带动风扇产生风力，单片机控制电机转速，构成直流调速器。单片2 2机通过脉冲宽度调制（PWM）进行调速。在 PWM 调速中，通过改变脉冲处于高电平的时间长短来改变电机的转
7、速。改变处于高电平的时间也就是改变脉冲的占空比。占空比越高，电机被高电平触发的时间越长，电机的转速就越快。PWM 的脉冲周期为 T，高电平时间为 Rpwm，低电平时间为t0，则 T=Rpwm+t0，在保证 T 不变的情况下改变 Rpwm，即可改变电机的速度。2.2 角度显示的分析本系统中使用 SC60C 角度传感器，它通过电压的变化来体现角度的变化。角 度 变 化 经 过 传 感 器 变 成 电 压 信 号 ， 经 过 模 数 转 换 电 路 输 入 单 片 机 。 电压的变化来表现角度的变化计 算 过 程 ： 测 出 帆 板 偏 转 0 60时， 电 压 的 变 化 区 间 ， 然 后通 过
8、 等 式 b=a/65 得 出 平 均 每 度 对 应 的 电 压 值 ， 最 后 在 C 语 言 编 程 中 通 过 c=r/b 得出 角 度 c（ 其 中 r 为 取 样 电 压 值 ） 。3 电路与程序设计3.1 电路的设计3.1.1 系统总体框图本系统由单片机 AT89C52、电机驱动电路、角度传感器 SC60C、模数转换、LCD显示屏 1602、蜂鸣器、键盘、电源电路组成。单片机编程实现控制，通过修改程序可方便进行系统升级。系统总体框图如图 2 所示。角度传感器 模数转换键盘电源单片机A T 8 9 C 5 2电机驱动电路 直流电机液晶显示屏图 2 系统总体框图3.1.2 单片机子系
9、统电路原理图单片机子系统由单片机 AT89C52、复位电路、时钟电路组成。单片机子系统电路如图 3 所示。3 3P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0/RxD10P3.1/TxD11P3.2/INIT012P3.3/INIT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119A8/P2.0 21A9/P2.1 22A10/P2.2 23A11/P2.3 24A12/P2.4 25A13/P2.5 26A14/P2.6 27A15/P2.7 28PSEN 29ALE 30EA 31AD
10、7/P0.7 32AD6/P0.6 33AD5/P0.5 34AD4/P0.4 35AD3/P0.3 36AD2/P0.2 37AD1/P0.1 38AD0/P0.0 39VCC 40GND20U189C51VCCRSTn1122Y111.0592MCS130pFCS230pFSB_RSTSW-PBC122uFVCCR_RST10KRSTIN4148D_RESOUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6OUT7OUT8STARTOEEOCCLOCKINT1INT2ENAQ1K1K2K3K4LEDRSRWED0D1D2D3D4D5D6D7.图 3 单片机子系统电路原理图3.1.3 驱动电路子
11、系统电路原理图驱动电路子系统电路由 L298N 构成。L298N 内部包含 4 通道逻辑驱动电路。可以方便地驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。它的输出电压最高可达 50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的 IO 口提供信号；而且电路简单，使用方便。电路如图 4 所示。D1DIODE D2DIODE D3DIODE D4DIODED5DIODE D6DIODE D7DIODE D8DIODE12M112M2C2104C4104+C1100uF+C3100uF123J2 5V12V12VIN15 IN27IN310 IN412ENA6 ENB11GND8VSS 9VS 4OU
12、T1 2OUT2 3OUT3 13OUT4 14ISEN A 1ISEN B 15L298NU1 5V5V123456J1CON6. . .图 4 驱动电路子系统电路原理图3.1.4 角度传感器角度传感器采用的是 SC60C，如图 5 所示。它是单轴倾角传感器，测量范围1g（90）单极 5V 供电，为比例电压输出，模拟 0.5V4.5V 输出。主要应用为双轴4 4平台调平，倾斜角度测量和加速度或者位置测量。它的优点是工作温度范围宽，抗冲击能力强，能耗低。图 5 角度传感器 SC60C3.1.5 模数转换电路原理图角度传感器 SC60C 的输出电压是模拟信号，需经模数转换后才能送入单片机AT89
13、C52。模数转换电路采用 ADC0809 芯片构成。ADC0809 是逐次逼近式 A/D 转换器，带有 8 位 A/D 转换器、8 路多路开关以及与微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS 组件。模数转换电路原理图如图 6 所示。.11 2233 4455 6677 8899 10101111 12121313 1414 15 1516 16171718 1819 19202021 2122 22232324 2425 25262627 2728 28U10809123456J1CON612345678910J2CON10STROCOECLKVCCVREF+D0D1D2D3D4D5D6D7. .Vi
14、nGND图 5 模数转换子电路原理图3.1.6 电源电源由变压器、滤波电路、稳压电路组成。为整个系统提供 5V 和 12V 电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。3.2 程序的设计3.2.1 程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求，软件部分主要实现以下两大功能：5 51）键盘实现功能：电机的转速调节，角度值的设定。2）显示部分：显示偏转角度，显示风速档位。2、程序设计思路本程序是帆板偏转角度的智能控制系统，通过对风扇转速的控制，调节风力的大小，改变帆板的转角。本系统有三种工作模式。在模式一下，用户手动调节帆板转角，此时角度传感器实时采集
15、角度信号，以模拟电压形式送给 ADC0809 转换器，由 ADC0809 将模拟信号转换为数字信号送给单片机，再由单片机处理后送给液晶显示屏上显示。在模式二下，由用户通过按键进行设置，增大、减小风扇的转速，单片将控制信号输入电机驱动电路，由电机驱动电路控制风扇转速，使帆板的偏转角度发生变化。同时，角度传感器实时采集角度信号，经由 ADC0809 进行模数转换后送给单片机，由单片机处理后送给液晶显示屏上显示。在模式三下，由用户通过按键设置指定偏转角度（060） ，由单片机对电机实现 PWM 调速。通过改变脉冲处于高电平的时间长短（即改变脉冲的占空比）来改变电机的转速，占空比越高，电机被高电平触发的时间越长，电机的转速就越快。当实际角度小于设定值时，增大占空比；当实际角度大于设定值时，减小占空比。在此过程中实时采样实际角度，与设定值对比。运用了比较法和反馈法，准确无误地将帆板偏转角度控制在设定值。3.2.2 程序流程图1、主程序流程图主程序流程图如图 6 所示。6 6开始初始化显示 T O B E N O . 1按键 1 按下 ？增加 P W M 的值 ， 增大转速按键 2 按下 ？减小 P W M 的值 ， 减小转速按键 3 按下 ?启动电机转动按键 k 4 按下 ？模式转换NNNYYYYN图 6 主程序流程图2、显示子程序流程图显示子程序流程图如图 7 所示。
