第八届全国大学生

电子设计竞赛

F题：帆板控制系统

设计报告

日期：2011年9月3日

摘 要

本帆板控制系统控制核心采用STC89C58RD单片机，STC89C58RD对直流电机风扇采用PWM无级调速。帆板角度用ADXL345反馈给单片机，ADXL345重力加速度传感器精度可高达1度，电机PWM控制模块采用L298N芯片，单片机根据采集到的角度对直流电机采用PID算法闭环控制，控制输出PWM波形对电机进行调速，以达到对帆板角度进行快速定位。

关键词：STC89C58RD单片机、PWM无级调速、PID控制。

Abstract: The control system control panels by STC89C58RD STC89C58RD

single-chip microcomputer, the core of a dc motor using PWM fan steeples speed regulation. The panels with ADXL345 Angle feedback to the microcontroller, ADXL345 gravity acceleration sensor precision can reach 1 degree, motor PWM control module USES L298N chip, SCM according to the collected Angle of a dc motor using PID closed-loop control algorithm, the PWM control the output of motor speed control, in order to achieve the panels Angle of quick location.

Key word: STC89C58RD microcontroller、PWM steeples speed regulation、

PID control

I

目 录

摘要--------------------------------------------------------------Ⅰ

1 系统方案设计-------------------------------------------------------1 1.1 显示模块的论证与选择-------------------------------------------1 1.2 角度检测模块的论证与选择---------------------------------------1 1.3 风扇系统的论证与选择-------------------------------------------1 1.4 电机驱动模块的论证与选择---------------------------------------2 1.5 PWM信号产生的论证与选择----------------------------------------2 1.6 声音提示模块---------------------------------------------------2 1.7 控制器模块的论证与选择-----------------------------------------3 1.8 帆板材料的论证与选择-------------------------------------------3 1.9 方案小结-------------------------------------------------------3 2 系统理论分析与参数计算-------------------------------------------- 3 2.1 系统理论分析---------------------------------------------------4 2.2 参数计算原理---------------------------------------------------4 3 硬件电路设计-------------------------------------------------------5 3.1 电路的设计---------------------------------------------------- 5

3.1.1 系统总体框图-----------------------------------------------5 3.1.2 角度检测子系统框图与电路原理图-----------------------------6 3.1.3 风扇子系统框图与电路原理图---------------------------------6 3.1.4 显示与声光控制子系统框图与电路原理图-----------------------6 3.2 电源设计-------------------------------------------------------7 3.3 最小系统设置---------------------------------------------------7 4 软件程序设计-------------------------------------------------------7 4.1 程序功能描述与设计思路---------------------------------------- 7 4.2 程序流程图---------------------------------------------------- 8 5 测试方案与测试结果-------------------------------------------------9 5.1 测试方案-------------------------------------------------------9

5.1.1 基本部分测试----------------------------------------------10 5.1.2 发挥部分测试----------------------------------------------10 5.2 测试条件与仪器------------------------------------------------10

5.2.1 测试条件------------------------------------------------- 10 5.2.2 测试仪器--------------------------------------------------10 5.3 测试结果与分析------------------------------------------------10

5.3.1 测试结果（数据）--------------------------------------------10 5.3.2 测试分析与结论--------------------------------------------10 6 设计总结----------------------------------------------------------12 参考文献------------------------------------------------------------12 附录 ---------------------------------------------------------------13

附录1 电机驱动模块电路原理图------------------------------------13 附录2 电源模块电路原理图----------------------------------------14 附录3 最小系统电路原理图----------------------------------------15

II

1 系统方案选择

根据题目的设计要求，本系统主要采用显示模块、电机驱动模块、角度检测模块、按键控制模块、最小系统模块、PWM信号控制、电源模块、语音播报系统、风扇系统，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1 显示模块的论证与选择

方案一：采用LED数码管显示，LED数码管的优点是能够高亮度地显示数字信息，硬件成本低；缺点是占用单片机的接口太多，显示信息量少，需要循环显示，占用太多程序资源。

方案二：采用LCD1602显示，LCD1602占用单片机的接口较少，能够显示数学符号，且价格便宜，但显示的信息量较少，不能够显示汉字字符。

方案三：采用LCD12864显示，LCD12864能够显示汉字和一些复杂的数学符号，除此之外能够显示多种信息，人机界面处理的较好，故宜考虑。

综合以上三种方案所述各自的优缺点，选择方案三。

1.2 角度检测模块的论证与选择

角度检测模块是系统设计的重要组成部分，我们需要用角度传感器来测量帆板与垂直方向之间的夹角。当风扇吹动帆板时，帆板会偏移原来的位置，与垂直方向有一个夹角，但这个夹角的偏移误差需要控制在一点过的范围之内，因此要求角度传感器的精度高，频率快。目前市场上适合的传感器主要有以下三种。

方案一：采用深圳市华夏磁电子技术开发有限公司的AME-B001角度传感器，0－360度测量范围，但是安装非常不方便，而且电压输出信号，采集不便。

方案二：ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计、分辨率高（13位），低功耗模式支持基于运动的智能电源管理，从而以极低的功耗进行阀值感测和运动加速度测量。

方案三：采用SCA100T高精度双轴倾角传感器，此传感器为数字SPI输出模式，测量分辨率可达到0.0003度，具有灵敏度极高，抗冲击，抗震动等诸多优点，但采用该传感器所需要的硬件电路相对复杂，且分辨率也不需要那么高。

从成本控制和硬件复杂度上考虑，采用方案二。

1.3 风扇系统的论证与选择

根据题目中风扇吹动挡板的设计要求可知，挡板的转动需要风扇给它一个力，并且此力需要大小适中，故我们在选择方案的时候，需要考虑用到大功率的直流电机风扇，并且出吹来的风应该是均匀散开。

方案一：采用直流减速电机来安装风扇。直流减速电机力矩大，转动速度快，但其制动能力差,无法达到能够吹动帆板的设计要求。

方案二：采用台式计算机散热风扇。台式计算机的风扇是用于降低CUP所产生的热量，能够均匀稳定地往外送风，由于电机的输出功率足够大，能够产生强劲的风力来吹动帆板。

方案三：采用笔记本散热风扇。笔记本散热风扇吹出来的风比较均匀和稳定，但它的直流电机的力矩较小，吹出来的风力不够吹动挡板。

综合以上三种方案的各种优缺点，选择方案二。

1