2011年全国大学生电子设计竞赛f题论文

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1、2011年全国大学生电子设计竞赛F题论文帆板控制系统帆板控制系统帆板控制系统帆板控制系统摘要摘要摘要摘要::::本系统由单片机最小系统模块、键盘显示模块、电机驱动与报警模块、角度感应模块以及供电模块五部分组成。以STC89C52为核心，编程实现占空比可调的PWM脉冲，再通过键盘对PWM脉冲占空比进行设置，得出可精确控制L298N驱动器产生不同强度的电压以控制风扇转速，从而实现对帆板角度的精确控制。程序实现三十级不同风速分辨率可达到2‘，安装在帆板上的三轴加速度传感器MMA7455感应到位移变化，产生信

2、号传送至单片机经一系列运算得出角度值并送给数码管显示，当外力使帆板角度变化时，单片机将识别到检测出的角度与当前角度值不一致，进而反馈至电机控制系统进行调控直到帆板稳定为止，从而达到快速稳定和手动控制功能。关键词关键词关键词关键词：：：：PWM技术、L298驱动、MMA7455加速度传感器、单片机最小系统、按键控制、实时检测-2-1.1.1.1.系统设计方案及控制策略系统设计方案及控制策略系统设计方案及控制策略系统设计方案及控制策略1.1系统方案设计本系统为典型的实时控制系统，易用单片机控制来实现。这里

3、以AT89C52单片机为主控元件。根据题目要求，设计了帆板控制系统。据对题目要求的分析，我们得到初步的思路，系统总体框图如下图1示：图1帆板控制系统框图总体方案的描述：方案设计的思路是先由检测系统检测出帆板倾斜角度，判断此角度有没有在数码管上显示倾角度数，从按键输入信息到单片机，单片机输出脉冲宽度调节（ＰＷＭ）方式控制L298芯片，通过驱动电路来驱动电机，到达电机旋转速度的控制，利用电机转的圈数来控制风扇的速度，从而吹动帆板转动，通过角速度传感器检测角度，将数据送回单片机在数码管上显示。STC89C5

4、2控制系统控制系统控制系统控制系统直流供电系统MMA7455加速度传感器L298N驱动模块键盘控制模块数码管显示模块直流风扇帆板三轴位移变化信号-3-1.2控制策略帆板转动角度控制策略图2帆板转动角度控制原理图本系统采用的是反馈控制的策略，系统通过MMA7455加速度传感器检测角度，当输入角度与测出角度值不一致时，将把信号反馈至电机控制系统控制电机转速使其角度与输入一致，从而达到风扇与手动均可控制角度大小的功能。MMA7455的3轴（x/y/z）小量程检测帆板运动和方向，根据帆板运动和方向改变输出信号

5、的值。当各轴的信号在不运动或不被重力作用的状态下（0g），其输出为1.65v。如果沿着某一个方向活动或者受到重力作用时，输出电压就会随其运动方向以及设定的传感器灵敏度而改变其输出电压。通过MMA7455的IIC模式把两路信号传送至单片机，经单片机一系列数学函数计算转换得到检测器当前的角度。手动旋转帆板时，检测值与当前值不一致，电机闭环控制系统启动，当达到一致时，单片机发送数码管显示数据至数码管显示模块，从而达到数字显示帆板转角的基本要求。而风力控制是利用键盘键入数值至单片机，通过控制PWM信号控制风扇

6、的转速以达到控制帆板角度的功能。即实现当间距为10cm时，通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角在0~60度内变化，并显示θ角的功能。其优点是采用集成芯片可降低功耗、输出的数字信号易于控制处理不易受干扰、控制比较精确等。为实现风扇转速调节，我们采用了基于PWM技术驱动实现了对小功率直流电机的转速调节。以STC-52系列单片机为控制核心，组成了包括转速调节、转速设置、转速测量和显示等功能的闭环调速系统。为了实现对转速的灵活控制和高效节能，PWM控制方式配合L298N电机驱动芯片对小功率直流电机进行驱动和调

7、速形成较好的调速系统解决方案。L298N、PWM信号以及电机一起组成了直流斩波电路，其中L298N内部集成两路H桥式电路。本系统中利用单片机控制片外硬件产生的PWM信号的占空比大小和数码管上显示设置的转速，控制风扇转速即风速大小来控制风力使帆板吹起一定的角度。其中占空比与转速的关系如下：设电机转速最大为Vmax，设占空比为：TtD1=(3-1)则电机的平均速度为-4-DVmaxVa×=(3-2)其中Va指的是电机的平均速度；Vmax是指电机在全通电时的最大速度；D是指占空比。由上面的公式可见，当我们改

8、变占空比D时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd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。2.系统硬件设计系统硬件设计系统硬件设计系统硬件设计2.1直流稳压源电路直流稳压电源模块是整个帆板系统的供电系统，为各模块提供稳定直流电源的电子装置。直流稳压电源的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直流输出电压都会保持稳定。其中利用全桥整流、电容滤波主要