电子竞赛报告

1、2015年北华大学电子设计竞赛帆板控制系统（D）2015年11月10日II摘 要 基于STC89C52单片机的帆板角度控制系统，系统可以利用风扇控制装置对帆板角度进行控制，并通过LCD12864实时显示角度变化。还可依据设定的帆板角度信息智能控制风扇转速，在很短时间内（5秒以内）动态调整帆板摆角，同时实时显示帆板角度等信息。系统包括：单片机主控模块、角度信号采集模块、键盘输入模块、显示模块、电源模块、风扇电机驱动模块。系统主控模块采用性价比高的单片机最小系统；选用ADXL345加速度传感器完成系统角度信号采集功能；利用LCD12864实时显示角度变化的信息，5*6矩阵键盘完成风力等级和角度设定

2、的输入；系统电源模块采用两路稳压输出电路（5v、15v），提供控制系统与风扇电机的工作电源；风扇电机采用L298N模块驱动。本系统制作成本较低、工作性能控制稳定，能很好达到设计要求。  关键词： STC89C52；加速度传感器；LCD12864；L298N 目 录1系统方案11.1主控电路 的论证与选择11.2角度传感器的选用的论证与选择11.3 显示模块的论证与选择11.4 按键选用的论证与选择11.5电机的驱动论证与选择21.6风扇的论证与选择21.7电源的论证与选择22系统理论分析与计算22.1 距离计算 22.2 角度计算22

3、.3 控制算法23电路与程序设计33.1硬件的设计33.1.1系统总体设计方案33.1.2总体电路图33.1.2风扇控制原理图33.1.2显示模块原理图43.1.2声光提示模块原理图43.1.2传感器模块原理图43.2软件的设计53.2.1风扇控制算法设计53.2.2声光提示算法设计63.2.3系统流程图64测试方案与测试结果74.1测试方法与仪器74.2.1测试结果(数据)74.2.2.测试分析与结论75参考文献8附录1单片机最小系统原理图帆板控制系统（D）1系统方案1.1主控电路的论证与选择方案一： 采用可编程逻辑器件FPGA作为控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，IO资源丰富，易

4、于进行功能扩展。但本系统不需要复杂的逻辑功能，且从使用、功耗及经济的角度考虑我们放弃了此方案。方案二：STC89C52 单片机采用STC89C52 单片机作为主控器，其算术功能强，软件编程简洁灵活、自由度大 ，可用软件编程实现各种逻辑控制功能，且其功耗低、技术成熟，成本低廉。本系统主要是进行信号的处理以及风扇电机的控制。综合考虑，本系统设计的功能依靠51单片机均可实现，故采用方案二。1.2 角度传感器的选用的论证与选择方案一：用UZZ9001Y与KMZ41连接构成一个角度测量系统。电路组成繁琐，制作较困难，稳定性较差。方案二：倾角传感器。该集成芯片为专用的水平倾角测量芯片，具有体积小、灵敏度高

5、等优点，但是输出为模拟信号，需要用到DA转换，操作间为复杂，且占用I/O口较多，不利于本统功能模块的操作。方案三：用ADXL345数字加速度传感器。ADXL345是一款小而薄的超低功耗的3轴加速度计，可测量帆板在斜面所受重力加速度在斜面上的分量，进而转换成倾斜角，测量精度较高。ADXL345输出信号为数字信号，避免了A/D转换，操作简单；此外ADXL345只需用到两个I/O口，占用资源少，能满足本设计的要求。本系统选择了第三种方案。1.3 显示模块的论证与选择方案一：使用数码管显示。要完成功能电路的显示需要多个数码管，此方案占用I/O口多，连接不便，显示效果差，功耗大。方案二：用LCD1602

6、液晶显示。1602是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式，1602分为上下2行，每行显示16个字符。驱动简单，但不能显示汉字。方案三：用LCD12864液晶显示。LCD12864功能强大，不仅能显示字母、数字、符号，还可以显示汉字和图形，最多可显示4行，每一行最多显示8个中文，16个半宽字体。（最好选用带字库的，方便编写程序。）LCD12864和LCD1602使用方法类似，驱动简单，耗电量小，无辐射危险，显示直观、抗干扰能力强，但体积较大。本系统选择了第三种方案。1.4按键选用的论证与选择 方案一：采用独立键盘。多个使用时，线路连接不便，操作繁琐。方案二：采用5*6的距阵键盘，可

7、输入的值比较多，可设定的功能也多。在本系统中需要多个键，系统选择了第二种方案。1.5电机的论证与选择   方案一：用分立元件构成的H桥电路利用分立三极管元件构成的H桥电路结构简单，但驱动能力有限，所带负载不可过大。方案二：用ULN2003功率放大器件。ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管组成。通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可达到不同的放大的要求，放大后能得到较大的功率。方案三：采用L298N集成H桥芯片。在L298N集成芯处中集成了两套H桥电路，可直接驱动两路直流电机，利用单片机产生的PWM信号，可方便地进行电机调速。本系

8、统设计采用方案三。1.6风扇的论证与选择方案一：用普通的散热风扇。风力小，风力流失大，很难达到系统要求。方案二：用带通风通道的风扇。风力集中，流失小，能很好的吹动帆板。本系统设计采用方案二。1.7电源的论证与选择方案一：自制稳压电源。采用变压器与三端稳压器相结合，使220V电压经变压器变压，降为系统所需电压，过整流桥并利用两个大的电容滤波，从而得到较为稳定的直流电压。自制电源体积大，需接入220V电压，电压不稳定，使用不方便。方案二：三块6V蓄电池串联供电。直接选用所需型号蓄电池，能量足，供电稳定，高低温适应性强。本系统选用第二种方案。2系统理论分析2.1距离计算帆板尺寸：长 15cm，宽 1

9、0cm。风扇到帆板的距离：715cm。本系统帆板转轴直径0.5cm2.2角度计算帆板转角：060度。帆板转角测量原理：风扇吹动帆板转动，产生帆板角度变化，利用ADXL345数字加速度传感器测出三维坐标x 、y 、z的变化，将加速度传感器固定在帆板上，从而通过固定y，利用x 、z的关系求出角度。角度=(180*atan(temp z/temp x)/3.14。角度的测量范围是090°，可以满足系统要求。2.3控制算法首先利用键盘控制风扇的转速，使帆板能够偏转一定的角度，再利用加速度传感器测出帆板的角度，送显示电路显示。具体控制算法采用C语言编程实现，具体程序代码见附录2。3电路与程序设

10、计3.1硬件的设计3.1.1系统总体设计方案系统功能的实现，以STC89C52单片机为核心，在单片机系统实现的输入输出和显示功能的基础上，由单片机的内置逻辑和运算功能，加上外围电路得以实现。根据设计任务要求，该电路的总体框图可分为几个基本的模块，总体框图如下图31所示：图31总体框图3.1.2电路原理图1、总体电路图 图32主控电路2、风扇控制图33风扇控制3. 显示模块图34显示模块4. 声光提示模块图35声光提示模块5. 传感器模块图36传感器模块3.2软件的设计3.2.1 风扇控制算法设计风扇控制算法如下图37所示：图37风扇控制算法2、声光提示算法设计 图38声光提示算法3、系统流程图

11、 图39系统流程图4测试方案与测试结果4.1测试方法与仪器测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。4.2 测试结果及分析4.2.1测试结果(数据)1、功能要求测试序号指标（目标值）实测值1显示范围为0-60°，实时显示。0-66°2分辨力为2°，绝对误差5°。分辨1°误差3°3使帆板转角稳定在45°±5°范围内，制过程在10 秒内完成，实时显示，并由声光提示5秒4在5 秒内达到设定值5秒 表12、按键控制风力等级测试 风力等级角度W角度W角度W00°0&#

12、176;0°51°1°1°109°10°11°1523°22°23°2025°29°31°2537°37°39°3040°39°40°3547°46°43°4049°49°51°4551°52°53°5055°56°52°5555°57°54°6058

13、6;59°57°6557°60°58°7060°62°59°7561°63°60°8064°63°64°8565°64°65°9065°65°65°9565°65°65°9966°66°66°表 24.2.2测试分析与结论本系统总体性能良好。但是也有不足的地方，由于帆板摆动大的问题，当系统工作时，影响到转角实际测量的精确性。这个地方有待改进。5.参考文献参考文献 1  沈建华,杨艳琴. MSP430系列 16位超低功耗单片机原理与实践M.北京：航空航天大学出版社,2008 2 邱关源.电路M.北京：高等教育出版,20063康华光.电子技术基础.模拟部分M.北京：高等教育出版社, 20134高峰