2011全国电子设计大赛论文-帆板控制系统论文

1、 赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字：帆板控制系统F题 摘要：本帆板控制系统由8位MCU为主控制器，通过AD转换，对红外接收管接收的模拟量进行采样，先通过TLC2543变换运算，把模拟量转变成数字量，从而测出帆板的转动角度，然后把信号反应回去，再由主控制器去控制L298N去控制直流电机转动的方向及转速，从而到达控制帆板的转动的角度以及对其的测量。在另一模式下，可以通过按动按键逐步调节风扇转速去调节帆板的转动角度，也可以直接设置帆板需要转动的角度，让系统自行将帆板吹到设置的角度,测量精度高达±2度，能够准确的测量和调节帆板的角度，是一个价格及性能综合考虑的方案。

2、 关键词： TLC2543 MCU L298N 角度 控制 1 方案论证与比拟1.1 采样方法比拟与选择方案一：用TLC2543 12AD转换芯片配合电位器对信号进行采集，通过电位器跟随帆板旋转产生的电阻变化作为变化模拟信号，然后由TLC2543对电位器变化的模拟信号进行A/D转换和采集，最后送MCU处理。但是电位器变化阻值误差太大，导致所测角度不准。方案二：用霍尔传感器安装到帆板上然后将些许小磁铁安装到一个圆盘上，用MCU直接检测霍尔的信号，然后去计算帆板转过的角度，但是由于磁铁安装少了，测量的精度不够，磁铁太多又会使霍尔的信号不变，从而测量不到角度，该方案较难实现。方案三：在帆板的机架安装

3、红外对管，帆板转动时红外接收的光信号，随帆板转动而变化，红外接收的光信号模拟量，运用A/D读回模拟量，在单片机程序中进行角度转换及计算，处理方便，所测角度也准确度大大提高。所以该设计采用红外对管来采集帆板偏转的角度信号。 1.2 处理器的比拟与选择由于51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。它不光能对片内某些特殊功能存放器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少，89C51系列单片机价格廉价，功能相对够用，抗干扰能力强，

4、Flash存储容量大，兼容做的很好，应用广泛，所以在帆板控制系统中是很好的选择。 1 赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字：1.3转换方案方案一：采用TLC2543，TLC2543为12为串行模数转化芯片，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转化过程，在输入电压为0-5V时，电压精度可到达1.2mv。由于采用串行结构，能够节省51单片机的IO口资源，价格适中，外围电路简单等，稳定可靠。方案二：ADC0832是并行接口的8位A/D转换器，ADC0832转换速度慢，转换精度第，在此很难到达系统设计要求。 1.4数据显示方案方案一：采用字符型LCM1602液晶显示器。该显示器件低

5、功耗、尺寸小，超薄轻巧，价格廉价，编程方便，由于在整个系统设计中只需显示转动角度和当前角度，所以从性价比上，本设计选用LCM1602液晶显示装置。方案二：采用LCM12864汉字显示器件，该器件价格较高，编程复杂，主要考虑设计本钱和完成功能的方面，在本设计中没有采用LCM12864图文显示装置。1.5电源选择方案方案一：采用10节1.5V干电池供电，电压到达15V经7812稳压后给直流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。但干电池电量有限，使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便，因此，我们放弃了这种方案。方案二：直接通过市电降压，经LM7812和LM7805稳

6、压后分别给直流电机、MUC主控芯片等供电，电机的启动和停止时产生的电磁干扰相对较小，能够保证整个系统能够可靠工作，同时电路也易于制作，故采用此方案。 1.6电机的选择方案一：步进电机：精度高，但转速慢，不能提供快速旋转带动扇叶吹动帆板。方案二：伺服电机：耐环境方面还是比拟好的，但是编码器局部非常脆弱，不能撞击或敲击。抗电磁干扰要求也高线缆局部。相比之下精度也要高些，但是价格昂贵，用在帆板控制系统中确实有点不适。方案三：直流电源：比同等级交流电机有更大的起动转矩、调速性能好、调速方式成熟，调速方式简单，易控制，是帆板控制的最正确选择。 1.7键盘选择方案一：选择独立按键，独立键盘具有结构简单，程

7、序简单，但是程序量大，占用单片机存储空间大，由于本系统需要16个按键来完成系统的所有功能，因 2 赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字：此如果采用独立按键会占用大量I/O口，浪费单片机资源。方案二；矩形键盘程序复杂，但是程序占用系统设计2.1 总体设计整体系统的设计思路为红外的信号经过一个10k的电阻分压以后，送到10位AD转换TLC2543，由于需要高精度的角度测量，因此要将测到的每个数字量对应的角度进行处理，又由于红外的非线性影响，因此必须对每一个角度进行矫正。然后通过主控芯片将其角度转换出来。在经过处理送到显示器LCM1602上显示。风扇的转速和帆板的转动角度通过A

8、D转换和驱动芯片构成了一个闭环系统，当风扇的转速使帆板的角度与设定的角度或显示的角度不符时，MCU通过接收红外对管电压的变化，通过转换的数据送到L298N来控制风扇的转速，最终使帆板稳定在一定的角度。系统实现的总体电路框图如图1所示，总电路图见附件2。 3 赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字：2.2 单元电路设计2.2.1 键盘电路设计键盘电路如图2所示，采用矩阵键盘来实现16个按键的处理任务，共占用了MCU的8个I/O口，大大节约的单片机的硬件资源。 2.2.2 AD转换及MCU主电路电路设计采用12位串行AD转换器TLC2543对输入信号进行转换，将转换的数据送8位

9、AT89S524 赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字： 图3 AD转换及MCU主控电路2.2.3 L298N风扇驱动电路模块L298N是电机控制专用芯片，它可以控制步进电机和直流电机，电路设计比拟简单，外围器件少，在本系统中采用L298N控制直流电机的运转，从而控制风扇的转动，并且通过红外对管采集的电压信号实现闭环控制，可以实现风扇从低速到高速的运行，从而完成题目 图4 L298N控制电路模块要求的在d=10cm时用电机控制帆板从060度的变化功能，同时通过这种方法可以实现根本要求3和发挥局部的全部功能，并且还把题目要求的距离d=715cm的距离扩大到d=517cm。

10、5 赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字：3 软件设计软件设计共包括六大模块：系统初始化、主循环、AD转换、数据处理、显示模块和PWM电机控制，其整体流程图如图5所示。 图5 整体程序设计流程图 图6 主循环模块主循环流程图如图6所示，显示程序流程图如图7所示，PWM程序流程图如图8所示。 6 赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字：图7 显示程序流程图 图8 PWM程序流程图4 系统测试本设备的操作说明见附件1。4.1 根本要求中1的测试数据固定电机到帆板之间的距离，用手转动转角，测试帆板转动得值与红外检测值比拟如表1所示，本系统完成了根本要求1的功

11、能。4.2 根本要求(2)数据测试固定电机到帆板之间的距离d=10cm，通过按键控制风力的大小，使帆板角度能够在060度范围内变化，同时在LCM1602上显示实时角度，测试数据如表2所示，本系统完成了根本要求2的功能。 7 赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字：4.3 根本要求(3)数据测试当间距d=10cm 时，通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角稳定在45°±5°范围 根本要求中3的测试数据 4.4 发挥局部1数据测试当间距d=10cm 时，通过键盘设定帆板转角，其范围为060°。要求在5 秒发挥局部1数据测试4.5 发挥局部2

12、数据测试 8 赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字：间距d 在715cm 范围发挥局部3数据测试固定转角，用手改变间距d=517cm滑动，测试帆板转动得值与液晶显示数据值比拟值如表6所示。表6 发挥局部3数据测试5 结论本系统以89S52芯片和直流电机为核心部件，通过TLC2543转换，对红外接收管接收的模拟量进行采样，可以通过按动按键逐步调节风扇转速去调节帆板的转动角度，也可以直接设置帆板需要转动的角度，让系统自行将帆板吹到设置的角度,测量精度高达±2度，能够准确的测量和调节帆板的角度，是一个价格及性能综合考虑的方案。由于系统架构设计合理，功能电路实现较好，系

13、统性能优良、稳定，较好地到达了题目要求的各项指标。 9 赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字： 参考文献：1.?数字图像处理学?，元秋奇著，北京：电子工业出版社，2000年；2.?模拟电子线路根底?，吴运昌著，广州：华南理工大学出版社，2004年；3.?数字电子技术根底?，阎石著，北京：高等教育出版社，1997年；4.?单片机原理及应用?，李建忠著，西安：西安电子科技大学，2002年5.?单片机应用程序设计技术?M. 何立民著，北京航空航天大学出版社. 2003年.第二章6.?单片机实用低功耗设计?M. 吴少军、刘光斌著，人民邮电出版社.2005年.7.全国大学生电子设计

14、竞赛电路设计M. 黄智伟著.北京：北京航空航天大学出版社 2006.10 赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字： 11 赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字：附录1 操作说明 图9 各按键功能说明本作品主要通过红外传感器实时检测帆板的转角，并且可以通过按键调整，设置帆板角度。单片机上电后，1602液晶显示初始界面，“Welcome Please select在此状态下状态一假设按下1次“状态键后再按下“确定键那么单片机跳转到状态二手动或自动检测帆板角度，在这个状态下假设用手托住帆板下端改变帆板的角度，那么在1602液晶上将显示帆板的实时角度值；此状态

15、下还可以通过按键启动，调整电机转速。当重复按下“加速键可以逐渐增加电机转速，当重复按下“减速键可以逐渐减慢电机转速；此时1602液晶实时显示帆板角度；在状态二下假设按下“返回键那么返回初始界面。在初始界面是假设按下两次“状态按键后再按下“确定键那么单片机跳转到状态三通过按键控制帆板恒定转过45度在此状态下当重复按下“加速键可以逐渐增加电机转速当帆板转角在45度正负5度时那么停止按“加速键，假设超出45度那么可适当按下“减速键，将其保持在45度左右，假设到达题目要求将发生声光报警，假设此时按下“停止键将停止电机转动和取消声光报警，在此状态下假设按下“返回键那么返回初始界面。在初始界面是假设连续按

16、下三次次“状态按键后再按下“确定键那么单片机跳转到状态四通过键盘设定帆板转角并维持，在状态四的情况下可以设置帆板转角，但此设置转角数必须为两位且小于或等于60例：05度, 56度数值将显示在1602上然后按下“确认键，电机转动将帆板陆续吹倒设定值并保持；最后再按下“返回键程序将返回到初始状态状态一，以此循环往复工作。 12 1帆板控制系统原理图附件2 总电路图 赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字： 赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字： 附录3 程序清单1. 主程序#pragma OT (5,speed)#include<reg52.

17、h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit beer =P1;uchar state=1,tcbz=0,fskz=0;uint temp=0,temp2=0,temp3=0,sjjd=0,sjjd1=0,designe_jiaodu=0,num=1000;bit Flag;uchar data key_jiaodu2; #include"LCD1602.h"#include"AD2543.h"#include"biao

18、ge.h"#include"display.h"#include"pwm.h"#include"keyboard.h"#include"check.h" void main(void)Init_LCD();init();temp3=read2543(0);beer=0;dianji=0;while(1)switch(state)case 1: display1(); /初始状态keycan1();break; case 2: disp

19、lay2(); /手动及加减检测角度keycan2();break; case 3: display2(); /调45度check3();keycan3();break; case 4: display4(); /按键设置角度14 赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字：keycan4();if(designe_jiaodu+3>30)check5();else check4();break; 2头文件#ifndef _pwm_h_#define _pwm_h_ sbit dianji=P3; uchar CYCLE=60,m=0; /定义周期 该数字X基准定

20、时时间 如果是10 那么周期是10 x 0.1mschar PWM_H=60 ;/定义高电平时间 void init()TMOD=0x011; /定时器设置 0.1ms in 12M crystalTH0=(65536-100)/256;TL0=(65536-100)%256; /定时0.1mSTH1=(65536-1000)/256;TL1=(65536-1000)%256;EA=1;ET0=1;ET1=1;TR0=0;TR1=0; void tim() interrupt 1static uchar count;TH0=(65536-100)/256;TL0=(65536-100)%256

21、;count+;if (count>=PWM_H) dianji = 1; /电机转else dianji = 0;if(count = CYCLE) count=0; void tim2() interrupt 3m=m;15 赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字：if(m)dianji=0;TH1=num/256;TL1=num%256;elsedianji=1;TH1=(65536-num)/256;TL1=(65536-num)%256; #endif #ifndef _keyboard_h_#define _keyboard_h_ uchar sc

22、an=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;uchar c4=15,anjian_num=0,c2=10,c1=10,number1=0; uchar keycan()uchar i,j,ini,inj,temp,find=0;for(i=0;i<4;i+)P2=scani;temp=P2;temp=temp>>4;temp=temp|0xf0;for(j=0;j<4;j+)if(temp=scanj)find=1;ini=i;inj=j;return (ini*4+inj);if(find=0)return 20;else retur

23、n (ini*4+inj);16 赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字： void keycan1()/static uchar number1=0;uchar key1;key1=keycan();if(key1!=c1)c1=key1;if(key1!=20)if(key1=10)number1+;if(number1>3)number1=0;if(key1=15)if(number1=1)state=2;TR0=1;Init_LCD();elseif(number1=2)PWM_H=60;TR0=0;dianji=0;state=3;Init_LCD(

24、);else if(number1=3)state=4;Init_LCD(); void keycan2()/static uchar number2=0;uchar key2;key2=keycan();if(key2!=c2)c2=key2;if(key2!=20)switch(key2)case 13:TR0=1;PWM_H=PWM_H-2;if(PWM_H<0)PWM_H=0;break;/加风 case 14:TR0=1;if(PWM_H<=60)PWM_H=PWM_H+2;break; /减风case 12:PWM_H=60;TR0=0;dianji=0

25、;break; /停止if(key2=11)number1=0;state=1;PWM_H=60;TR0=1;Init_LCD(); 17 赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字：void keycan3()static uchar c3=30;uchar key3;key3=keycan();if(key3!=c3)c3=key3;if(key3!=20)switch(key3)case 13:TR0=1;PWM_H=PWM_H-5;if(PWM_H<0)PWM_H=0;break;/加风 case 14:TR0=1;if(PWM_H<=60)

26、PWM_H=PWM_H+5;break; /减风case 12:PWM_H=60;TR0=0;dianji=0;break; /停止 if(key3=11)number1=0;state=1;PWM_H=60;TR0=1;Init_LCD(); void keycan4()static uchar number=0;uchar key4; key4=keycan();if(key4!=c4)c4=key4;if(key4!=20)if(number=0)&&(key4<=6)key_jiaodu0=key4;if(number=1)&amp

27、;&(key4<10)key_jiaodu1=key4;if(key4<10)|(key4=15)number+;/ if(number=3)if(key4=15) TR1=1;TR0=0;tcbz=1;if(tcbz=1)if(key4=11)num=1000;number1=0;c4=15;18 赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字：key_jiaodu0=0;key_jiaodu1=0;number=0;TR1=0;TR0=0;dianji=0;state=1;Init_LCD(); #endif #ifndef _LCD

28、1602_H_#define _LCD1602_H_ #define DatePort P0sbit RS = P1;sbit RW = P1;sbit EN = P1; void delay_LCD(uint k)uchar i;while(k-)for(i=0;i<113;i+); void Write_com(uchar com)RS=0;RW=0;DatePort=com;EN=1;delay_LCD(2);EN=0; void Write_dat(uchar dat)RS=1;RW=0;DatePort=dat;EN=1;delay_LCD(2);EN=0; 19 赛区

29、： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字：void Init_LCD(void)Write_com(0x38);Write_com(0x06);Write_com(0x01);Write_com(0x0C); #endif #ifndef _AD2543_H_#define _AD2543_H_ sbit AD_OUT = P1;sbit AD_IN = P1;sbit AD_CS = P1;sbit AD_CK = P1; void delayus(uint m)while(m-); uint read2543(uchar port)uint ad=0;uchar j;AD_C

30、K=0;AD_CS=0; /片选/port<<=4;delayus(50);for(j=0;j<12;j+)ad<<=1;if(AD_OUT)ad|=0x01;AD_IN=(bit)(port&0x08); /写选通地址AD_CK=1;delayus(6);AD_CK=0;delayus(3);/port<<=1; /选通ad输入的AD_CS=1;/ad>>=1; /return(ad);20 赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字：

31、 #endif #ifndef _display_h_#define _display_h_ /sbit led=P1;uint temp1; uchar code disp=" Welcom! "uchar code disp1=" Please select "uchar code disp2="Angle:" void display1()uchar k;Write_com(0x80);k=0;while(dispk!=0)Write_dat(dispk);k+; k=0;Writ

32、e_com(0xc0);while(disp1k!=0)Write_dat(disp1k);k+; void display2()uchar k;static uchar i2,h2; i2+;if(i2>2)&&(h2<3)temp1=read2543(0);temp2=temp2+temp1;i2=0;h2+;21 赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字：if(h2=2)h2=0;temp=temp2;temp2=0;temp=temp/2; sjjd=out_jiaodu(temp);sjjd=sjjd*10

33、; Write_com(0x80);k=0;while(dispk!=0)Write_dat(dispk);k+; k=0;Write_com(0xc0);while(disp2k!=0)Write_dat(disp2k);k+;Write_dat(sjjd/100+0x30);Write_dat(sjjd/10%10+0x30);Write_dat(.);Write_dat(sjjd%10+0x30);Write_dat(0xdf); void display4()uchar k;static uchar h4; if(h4<7)temp1=read2543(0);temp2=

34、temp2+temp1;h4+;if(h4=6)22 赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字：h4=0;temp=temp2;temp2=0;temp=temp/6; sjjd1=out_jiaodu(temp);sjjd=sjjd1*10; Write_com(0x80);k=0;while(dispk!=0)Write_dat(dispk);k+; k=0;Write_com(0xc0);while(disp2k!=0)Write_dat(disp2k);k+;Write_dat(sjjd/100+0x30);Write_dat(sjjd/10%10+0x30);Wri

35、te_dat(0xdf); designe_jiaodu=key_jiaodu0*10+key_jiaodu1;Write_com(0xcd);Write_dat(designe_jiaodu/10+0x30);Write_dat(designe_jiaodu%10+0x30);Write_dat(0xdf);#endif#ifndef _biaoge_h_#define _biaoge_h_ uchar out_jiaodu(uint dat)if(dat<=1000) return 0;else if(dat>1000&&dat&

36、amp;lt;=1040) return 1;else if(dat>1040&&dat<=1058) return 2;else if(dat>1058&&dat<=1073) return 3;23 赛区： 江西赛区 赛区编号： JXB13002 测试人签字：else if(dat>1073&&dat<=1088) return 4;else if(dat>1088&&amp

37、;dat<=1103) return 5;else if(dat>1103&&dat<=1132) return 6;else if(dat>1132&&dat<=1170) return 7;else if(dat>1170&&dat<=1193) return 8;else if(dat>1193&&dat<=1315) return 9;

38、else if(dat>1315&&dat<=1280) return 10;else if(dat>1280&&dat<=1377) return 11;else if(dat>1377&&dat<=1435) return 12;else if(dat>1435&&dat<=1495) return 13;else if(dat>1495&

39、amp;amp;&dat<=1567) return 14;else if(dat>1567&&dat<=1645) return 15;else if(dat>1645&&dat<=1705) return 16;else if(dat>1705&&dat<=1757) return 17;else if(dat>1757&&dat&

40、;lt;=1811) return 18;else if(dat>1811&&dat<=1854) return 19;else if(dat>1854&&dat<=1930) return 20;else if(dat>1930&&dat<=2030) return 21;else if(dat>2030&&dat<=2110) return 22;els

41、e if(dat>2110&&dat<=2160) return 23;else if(dat>2160&&dat<=2222) return 24;else if(dat>2222&&dat<=2295) return 25;else if(dat>2295&&dat<=2355) return 26;else if(dat>2355&

42、;amp;&dat<=2404) return 27;else if(dat>2404&&dat<=2458) return 28;else if(dat>2458&&dat<=2502) return 29;else if(dat>2502&&dat<=2520) return 30;else if(dat>2520&&dat&lt

43、;=2615) return 31;else if(dat>2615&&dat<=2665) return 32;else if(dat>2665&&dat<=2710) return 33;else if(dat>2710&&dat<2756) return 34;else if(dat>2756&&dat<=2812) return 35;else if

44、(dat>2812&&dat<=2870) return 36;else if(dat>2870&&dat<=2915) return 37;else if(dat>2915&&dat<=2955) return 38;else if(dat>2955&&dat<=3010) return 39;else if(dat>3010&amp

45、;&dat<=3055) return 40;else if(dat>3055&&dat<=3085) return 41;else if(dat>3085&&dat<=3122) return 42;else if(dat>3122&&dat<=3150) return 43;else if(dat>3150&&dat<=3185) return 44