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1、帆板角度控制系统目录1。方案的设计与论证11.1总体方案的描述11。2 主要模块的论证与选择11。2。1 主控模块的比较与选择11。2。2电源模块的比较及选择21。2.3 角度测量模块的比较与选择21.2。4驱动模块的比较与选择31.2。5按键模块的比较与选择31.2。6 风扇的选型32。 硬件电路设计与分析32.1系统总体电路的设计32。2电源电路32.3 风扇控制电路的设计与分析42。3。1 风扇控制电路的设计42。3.2 风扇控制电路的分析52。4角度测量电路的设计与分析62。4。1 角度采样电路62.4。2 角度测量原理62.5显示模块的设计与分析72。6 按键输入模块和声光提示模块7
2、3。 系统程序设计与算法83.1主程序流程图83。2 PWM调速流程设计83.3 角度自适应控制程序设计8角度调整及显示流程图如附录六所示.94测试方案及结果分析94.1测试仪器94. 2 测试记录94.3 结果分析105。 结论10致谢1参考文献1附录1帆板控制系统摘 要设计了一个基于STC12C5A60S2 单片机的帆板控制系统，采用PWM调制方式改变直流电机的电枢电压，实现对风扇的无极调速。用电位器角度传感器WDD35D4测试帆板的偏转角度,并通过LCD1602液晶显示器显示出其角度，测量分辨力可达1,绝对误差3.控制系统的硬件结构上采用了光电耦合、有线遥控键盘等措施,提高了系统的抗干扰
3、性和稳定性，整个控制系统响应速度快，成本低，基本满足了任务要求。关键词:帆板控制系统；STC12C5A60S2 单片机；WDD35D4角度传感器Windsurfing Control SystemAbstractThis paper design the system of windsurfing control based on the STC12C5A60S2 singlechip microcomputer，the system uses PWM mode to change the armature voltage of the DC motor，and realizes speed
4、stepless of the fan. WDD35D4 Angle sensor with potentiometer tests deflection Angle of the windsurfing, LCD1602 shows its deflection Angle， the resolution of Measuring reach 1 ，absolute error is less than 3 . The hardware structure of the control system uses photoelectric coupling，power isolation an
5、d other measures，improving the system of anti-jamming and stability。 The whole control system quick response speed,low cost，meet the task requirement. Key words: Windsurfing control system;STC12C5A60S2 singlechip microcomputer；WDD35D4 Angle sensor1。方案的设计与论证1.1总体方案的描述题目要求设计并制作一个帆板控制系统，通过对风扇转速的控制,调节风力
6、大小，改变帆板转角.根据对题目的分析，得到初步的方案,系统总体框图如下图1所示：图1 系统总体框图总体方案设计的描述是:当用手控制帆板时,显示屏能够实时显示帆板的转角，可显示范围为090；当通过操作键盘给单片机传送加速指令，风扇速度由零逐渐增大到最大风速,帆板与竖直面的偏转角度相应的由0增大到60，显示屏也实时显示倾角度数;当需要帆板偏转到某个固定角度时,通过键盘输入角度值，单片机通过分析控制风扇转速，使帆板的偏转角度逐渐达到设定值,并实时对帆板角度进行修正，当帆板转动接近预定的角度(3）时会发出声光提示.1.2 主要模块的论证与选择1。2.1 主控模块的比较与选择方案1：采用FPGA为系统的
7、控制器，FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，模块大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性,并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能控制.FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。通过输入模块将参数输入给FPGA，FPGA通过程序设计控制步进电机运动,但是由于本设计对数据处理的时间要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现,并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。方案2：采用AT89S52单片机。AT89S52是一种低功耗、低电压、高性能的8
8、位单片机，片内带有一个4K字节的Flash可编程可擦除只读存储器（PEROM），它采用了COMS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM)技术,而且其输出引脚都与MSC-51兼容。片内存储器允许使用编程器来编程，读写次数可达十万次。AT89S52单片机工作的最小系统非常简单，外加复位电路，震荡电路，再提供5V电源即可让单片机工作。方案3：采用STC12C5A60S2单片机。STC12C5A60S2是高速/低功耗/超抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快812倍。内部集成了MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S)，
9、主要用在对电机控制、干扰场合。 针对题目要求，设计中要求对直流电机进行控制,并需要较强的算术运算能力,故选择方案3。1。2。2电源模块的比较及选择方案1:铅酸电池供电，优点电流大，缺点重量太沉。方案2:电池组供电,可以提供800mAh电流，重量很轻.方案3：太阳能电池板，符合当代的发展要求，绿色环保、无污染，但受环境影响.方案4:自制电源，可以满足双电源供电,一个电源给单片机供电，一个给风扇的电机供电。对比之下,自制电源满足设计要求，选择方案4。1.2。3 角度测量模块的比较与选择方案1：角度传感器KMZ41模块.角度传感器KMZ41与信号调理芯片UZZ9001组成角度采集模块，KMZ41与信
10、号调理芯片UZZ9001一起, 能够对180范围内的角度信号进行测量,并利用SP I方式提供11位的角度信号输出，但此需要外加很多的电路才得以实现，相对来说比较复杂。方案2：WDD35D4型角度传感器模块。WDD35D4型角度传感器为一个5千欧的精密电位器,故其输出为模拟信号。其旋钮的旋转角度与其电阻值呈线性变化，独立线性刻度为0。1，具有3600的机械转角和3450电气转角.对比之下,角度传感器WDD35D-4控制较简单，选择方案2。1.2.4驱动模块的比较与选择方案1：光电耦合电路。光电耦合电路是单向传输信号、输入端与输出端完全实现了电器隔离电路，抗干扰能力强；另外,它的工作稳定，无触点，
11、使用寿命长、传输效率高。缺点是输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间.方案2：L298N芯片.L298N芯片是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机.但其驱动电路较复杂；从系统的工作稳定性及成本考虑，选择方案1。.1。2。5按键模块的比较与选择按键模块用于设置帆板角度和控制风力大小.方案1：独立式按键。该电路设计简单，且编程相对简单,而本系统需要设置0 60的任意角度，当独立按键少时，角度值的设置太繁琐，当按键多时,占用单片机的I/O口太多,加大了成本。方案2：采用矩阵式键盘。按键较多时可以减少单片机I/O口数目,方
12、便数值的输入。相比之下，方案2符合本系统对角度输入的要求.1.2.6 风扇的选型根据本次设计的要求，帆板尺寸大小为1015cm ,设计选用了12038M12S中转速直流电机,其基本参数为DC12V 0.50A，转速适合，容易驱动控制，噪音小、低功耗，能完成本设计要求。 2. 硬件电路设计与分析2.1系统总体电路的设计经过上述各模块系统电路方案的比较与选择，系统的总方案最终确定如下:系统主要由单片机STC12C5A60S2、WDD35D-4型角度传感器、小型直流风扇、LCD1602显示屏与AMS1117电源芯片组成,系统的总体电路图见附录一。2。2电源电路此自制电源先经过一个220V/12V变压
13、器，将电压变成12V的输出,输出12V的交流电通过一个整流桥将交流电变成脉动的直流电源,在用电容搭建一个滤波电路将脉动的直流电变换成恒定的直流电,在通过7812和7912稳压芯片，可以输出稳定的正负12V，在将恒定的直流电接到7805和7905稳压芯片输出固定的正负5V的恒流直流电源，电源电路如图2所示：图2 电源电路2.3 风扇控制电路的设计与分析2。3。1 风扇控制电路的设计控制系统硬件以STC12C5A60S2单片机为核心，新一代的单片机增加了很多的功能，其中包括PWM功能.只要编写一段程序就可以其能自动的发出PWM脉冲波来实现对电机驱动电路的控制,控制模块的电路框图如下图2所示.图2
14、控制模块电路框图其中隔离电路采用了光电耦合电路，将单片机与驱动电路进行了电气隔离，起到了保护单片机的作用.驱动电路的工作原理如下：当单片机的P1口为高电平时，发光二极管导通工作，发光使光敏三极管导通，直流电机得压，电机速度增大;反过来，当单片机的P1口给低电平时，发光二极管不发光，光电三级管不导通，直流电机失去压，电机速度减小.通过单片机改变脉冲的占空比就可以改变电机的电枢电压,达到调速的目的。电机驱动及调速模块如下图3所示。图3 电机驱动及调速电路2.3.2 风扇控制电路的分析直流风扇的调速方式，采用的是PWM调速方式,PWM（即脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率,改变负载两
15、端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。在PWM 驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源,并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短.通过改变直流电机电枢上电压的“占空比来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速.也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置,如下图4所示。 设电机始终接通电源时，电机转速最大为 V max ，设占空比为 D= t1 / T ,则电机的平均速度为 :V a = V max * D （公式21）其中 V a 指的是电机的平均速度； V max 是指电机在全通电时的最大速度 ;D = t1 / T 是指占空比。由上面的公式可
16、见，当改变占空比 D = t1 / T 时，就可以得到不同的电机平均速度 V d ,从而达到调速的目的。严格来说，平均速度 V d 与占空比 D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，可以将其近似地看成是线性关系。由此可以近似的认为直流电机两端电压值与转速成正比，并可以借此原理算出转速和电压值（即 PWM 波的频率值）的比例关系简单比例调节PP函数。其调节公式为：YK=YK1+KP*EK （公式2-2）其中YK：要输出的数据,YK1:上次输出的数据，EK:设定值和实测值的差值，KP：比例系数(设KP=12)。通过以上分析，可由单片机A/D采集电阻式线形角度传感对角度变化而产生的电压值的变化，人
17、为的采集角度 a和电压U值的变化,测出俩组数据（a1,u1）、（a2,u2），求出斜率k，通过线形特点求出电压转换角度公式： （公式23）最后通过液晶显示把角度出来。图4 PWM波原理图2。4角度测量电路的设计与分析2.4。1 角度采样电路系统采用WDD35D-4高精密度倾角传感器测量帆板的偏转角度。当风扇转动时会使帆板偏离竖直面，倾角传感器将偏转度通过10位A/D转换的数字信号传给单片机控制系统，再将指令传给风扇来调节帆板的偏转角度。图5 A/D采样电路图2.4。2 角度测量原理当传感器转动时，重力（垂直）和传感器转轴之间的夹角就是倾斜角，在此过程中，由倾角传感器结合PWM波进行分段控制,即
18、分别根据距离和角度进行脉宽调整。在进行角度调整时根据角度进行控制,角度越小，控制脉宽越小，直到检测角度在1范围内,认为其处于平衡状态。用以下转换公式，模拟输出量能转换成角度。 （公式2-4）其中，VOUT为倾角传感器输出脚模拟电压，offset是设备在0g位置时的电压输出（一般输出值为2.5v）,Sensitivity是设备的灵敏度（通常灵敏度为2v/g)。为得到最好的精确度，应当用实际输出值代替通常值。2。5显示模块的设计与分析LCD1602液晶屏是16*2的字符型液晶，共16个引脚， 可以显示英文26个字母的大小写，阿拉伯数字09，及一些简单的符号。使用时将单片机的 8根数据线与 LCD模
19、块的数据线一一对应相接，并将 LCD模块的控制线与单片机相连.在 LCD显示模块上加上工作电压和背光工作电压, 当整个系统工作时，测得的实时角度值就可通过单片机的采集计算转换在 LCD模块上动态显示出来。该液晶屏操作简单，显示功能强大，完全能共满足本设计系统的需要，是一种比较理想的选择。在本设计中LCD1602上分别显示设定角度、实际角度、调速档位。本设计连接电路图如下图6所示。图6 LCD1602显示电路2。6 按键输入模块和声光提示模块系统使用键盘输入数据，采用了4x4的16个按键矩阵键盘,这样可以省出很多I/O口，以进行功能设置。其中将10个按键赋予0到9的值，并设定一个确定键和一个取消
20、键，根据题目要求,还可以设定一个加风力和减风力的键.当需要设置角度时，可以直接按按键上的数字进行确定；当要分段设置角度时，要加速时就按加档键，减速时就按另一个减档键。当手动设定角度后，若帆板转动到预定的角度3范围内时就发出声光提示。按键电路模块和声光提示模块见附录一的总体电路图。3. 系统程序设计与算法3.1主程序流程图帆板系统的软件分为手动模式和自动模式。单片机的软件设计采用模块化设计的方法,主要分为如下几个软件模块：主程序模块、键盘扫描模块、角度测量调整模块和A/D采样模块等.单机主程序流程图见附录四所示。3。2 PWM调速流程设计 PWM输出波形通过以下程序实现。该数据的调节通过设定值和
21、实测值的比较来改变脉冲波的占空比。void inter() interrupt 1 TH0=0Xff;TL0=0Xa3；/周期为100us*100次 count+； if(count=100） count=0； if（count=pwm_count) pwm=0； elsepwm=1；PWM调速程序流程图见附录五.3.3 角度自适应控制程序设计在本系统角度测量采用了闭环自适应控制，程序实现如下：if（jiaoset_jiao）/ 如果单片机采集到的角度大于设置的角度时 led_green=0;feng=0； if(jiaoset_jiao)3） set_jiao_bit=1； else if(
22、（jiao-set_jiao）=2)led_green=0；feng=0;/关声光报警set_jiao_bit=0;pwm_count-;delay（500）;else led_green=1；feng=1;/开声光报警else / 同理，如果单片机采集到的角度小于设置的角度时。角度调整及显示流程图如附录六所示.4测试方案及结果分析4。1测试仪器本系统需要使用以下仪器进行功能调试与性能测试。如下表4-1所示。表4-1 测试使用仪器仪器名称用途数量备注单片机调试及下载程序1量角器测量角度1直尺测量距离1量程020cm秒表测量时间14。 2 测试记录首先将帆板回到零起点位置(帆板刚好与水平面垂直）
23、，然后分别测试以下项目;（1）手动转动帆板,用量角器测量其偏转的的角度，同时记录显示屏显示的角度,记录5组以上数据,分析比较两组数据；(2）通过键盘调节风扇的转速，记录帆板实际偏转角度和屏幕显示角度，并记录其反映时间，记录10组以上数据（分别记录帆板上升与下降时情况各5次）,分析比较两组数据；（3）通过键盘直接设定帆板的偏转角度（060）,记录帆板实际达到角度与达到预定角度的时间，以此来验证系统的准确性。（5组以上数据）注:每组数据必须要测3次以上数据取然后平均值。详细的系统功能能测试数据结果见附录七。4。3 结果分析从测量结果来看,数据基本达到了设计的要求，但由于受到器件精确性(如：角度传感
24、器），液晶屏显示的数值与实际测量的数值之间存在一定的误差，但都在允许的误差范围内。说明此系统还存在些问题,精确度不够高。分析有如下原因：（1）读数产生的误差,由于测量过程中帆板处于小范围的抖动状态，因此用量角器读出的数据有一定的误差；（2）帆板系统的机械结构有些粗糙，帆板转动时存在一定的摩擦；（3）帆板控制电路排版不是很合理,电路中部分连线接头有时会影响电路中的电信号的传送。5。 结论系统以单片机STC12C5A60S2为核心部件，以WDD35D-4型角度传感器模块为检测模块，实现了对帆板角度信号的采集、处理、显示功能，以及对风扇速度的闭环控制功能.总结来说，本系统主要有如下特点：（1)采用了
25、外圆内方风道结构：根据帆板、直流风扇的选型，自制了一个通风巷，通风效果好，活动空间大，提高了帆板的角度偏转范围， 有效的降低了帆板的抖动现象；（2）有线遥控式键盘：实现了有限距离遥控，既方便操作，又避免了操作对控制系统的直接干扰。(3)双指针角度指示：由于帆板撞装在了帆板内部，为了方便读数，在量角器两侧装了与帆板平行的两个角度指针，因此只需测量指针的偏转角度就可以知道帆板的偏转角度。由于采用了双指针,读数比较精确，这可以大大减少了测量误差.（4）系统结构简单、扩展性功能强：系统结构经优化处理，设计美观合理，整个系统还可增加其他外围设备，提升系统功能,如可加测风速模块、测距模块等。由于时间仓促,
26、系统硬件、软件设计以及细节优化工作没有做到尽美，在以后的学习中将不断提高与改进。5致谢这次毕业设计，凝结了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。 首先,我要特别感谢罗胜华老师对我的悉心指导，在毕业设计期间罗老师指导我、帮助我收集文献资料，理清设计思路，完善操作方法，并对我所做的设计提出有效的改进方案。老师渊博的知识、严谨的作风、诲人不倦的态度和学术上精益求精的精神让我受益终生。作为一个专科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，想要完成这个设计是难以想象的.因此,特别需要感谢罗老师给予的耐心细致的指导，在此，再一
27、次向罗胜华教师以及关心帮助我的教师同学表示最诚挚的谢意!其次，学校在这方面也给我们提供了很大的支持和帮助,学校领导比较重视,每个设计小组配有专门的指导老师，帮助我们能顺利完成整个设计.对于学校和老师为我的毕业设计所提供的极大帮助和关心，在此我致以衷心的感谢!最后，还要感谢同学三年来对我的关心与支持,感谢各位老师在学习期间对我的严格要求。同时也要感谢身边朋友的热心帮助,没有你们的关心与支持，我不可能这么快完成我的毕业设计！这几个月的岁月是我学生生涯中最有价值的一段时光,也将会成为我以后永远的美好的回忆，在这里有治学严谨而不失亲切的老师，也有互相帮助情同骨肉的同学，更有和谐、融洽的学习生活氛围，这
28、里将是我永远向往的地方。借此论文之际，我想向所有人表达我的最诚挚的谢意，愿我们将来都越来越好.参考文献1 邹久朋。80C51单片机实用技术M。北京航天航空大学出版社,2008。04。2 李全利。单片机原理及接口技术（第二版）M.高等教育出版社，2009。01.3 赵健，吴顺伟,任志舶. 基于倾角传感器的自动平衡系统J.现代电子技术，2008（16）。4 周姣，蒋求生。 SCA100T角度传感器在角度测量系统中的设计J。科技风，2009(11).5 张琛等。直流无刷电动机原理及应用(第2版）M.北京：机械工业出版社，2004.6 黄智伟。全国大学生电子设计竞赛制作实训 M .北京航空航天出版社,
29、2011。01.附录附录一：系统总体电路图附录二：单片机IO口接线表单片机IO口输入单片机IO口输入P044矩阵按键P1.5按键指示灯（绿色）P1.6蜂鸣器报警指示灯(红色）P1.7蜂鸣器输入端P1。0倾角传感器输入端P3.5液晶RS控制端P3.6液晶RW控制端P3。7液晶E控制端P2液晶D0D7数据输入端P3.0、P3.1单片机串口通信端附录三：系统主要元器件清单序号器件型号个数1单片机STC12C5A60S212稳压芯片AMS111713电源12V开关电源14角度传感器WDD35D415电阻贴片若干个6液晶屏LCD160217光电耦合18按键若干个9三极管90125个附录四：主程序流程图附
30、录五：风扇PWM调速流程图附录六：角度调整及显示程序流程图附录七：硬件的功能调试项目表检测项目帆板初始偏转角度帆板末态偏转角度数码管显示角度完成时间备注手转帆板000-正常01515-正常154544。6-正常456060正常605049。7-正常键盘调速控制角度(加速)02019。7-正常2035358正常3545457.s正常4555558.9s时间稍长键盘调速控制角度（减速)6045483.7s正常4834342。4s正常3430300。8s正常302929.30.1s正常291817。91。2s正常键盘直接设定角度0109.51.5s正常025282s绝对差偏大03535.63s正常060474.9正常060606s时间稍长