2011年全国大学生电子设计竞赛论文(f题)

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1、2011年全国大学生电子设计竞赛帆板控制系统（F题）【120212组】2011年9月6日II摘要本文主要介绍了一种帆板控制系统。通过对直流风扇风速的控制，调节风力大小，改变帆板的转角。其主控芯片为MC9S12XS128，通过PWM对电机驱动7960的控制，来调节电机的转速，同时应用光电编码器和倾角传感器作为反馈，对整个调速系统进行PID闭环调节，以到所预期的角度。并且介绍了在调试过程中的实时监控、宏观曲线分析和数据分析应用等调试手段。文章着重介绍核心器件的选择、各部分电路、软件的设计和调试手段关键词：PID调速MC9S12XS128调试手段II目录1系统方案11.1角度

2、调整系统方案的论证与选择11.2电机驱动方案的论证与选择11.3MCU控制系统的论证与选择12系统理论分析与计算22.1帆板受力的分析与计算22.1.1帆板转角的原理22.1.2帆板的受力分析22.2倾角传感器的分析与计算32.2.1倾角传感器系统原理32.2.2倾角传感器的计算32.3电机转速控制的分析与计算32.3.1电机转速控制的分析32.3.2数字PID控制算法的计算33电路与程序设计43.1电路的设计43.1.1系统总体框图43.1.2控制电路53.1.3键盘管理电路53.1.4显示系统电路63.1.5倾角传感器电路73.1.6电机驱动电路83.1.7测速反馈

3、电路83.1.8电源电路93.2程序的设计93.2.1程序功能描述与设计思路93.2.2程序流程图104测试方案与测试结果124.1测试方案124.2测试条件与仪器144.3测试结果及分析144.3.1测试结果(数据)144.3.2测试分析与结论15附录1：电路原理图16附录2：源程序17II帆板控制系统（F题）【高职高专组】1系统方案本系统主要由倾角传感器模块、电机驱动模块、MCU控制模块、电池组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1角度调整系统方案的论证与选择方案一：线性电位WDD35D-4是360°连续机械转角的线性电位器，精度可达到1%，将电位器旋钮和电位器分

4、别于帆板和连杆结合，在帆板转动的同时带动旋钮改变阻值，用AD测出电压变化,从而换算出倾斜角度。方案二：飞思卡尔公司的MMA7445三轴加速度传感器，它MMA7260三轴加速度传感器功能类似，不同点是它输出的是数字量，同样拥有低功耗，高稳定性等特点。方案三：飞思卡尔公司的MMA7260三轴加速度传感器，它具有灵敏度可选，低功耗，高稳定性等特点，并且输出模拟信号，同时它的体积小，工作可靠，调试倾角方便等特点也是一方面优势。方案一线性度好但是机械结构比较复杂，方案三输出的是数字量，精度不可调，方案二可以改变外部AD来实现。综合以上三种方案，选择方案三。1.2电机驱动方案的论证

5、与选择方案一：用三极管搭建H桥来控制电机正反转，通过2个8550和2个8050三极管搭建成H桥，其原理简单，通用，但是负载经过电流太小。方案二：L298N是内部集成的双H桥电路，它的最高电源电压到46V。直流电流可达到4A。低饱和压降。同时还有过热保护过热时逻辑“0”的输入和高噪声免疫力。是一款常用的电机驱动芯片方案三：BTS7960是一款半桥驱动芯片，就是说需要2个芯片来驱动一个电机，电流最高43A，其内阻很小，所以散热不是很厉害。并且开关频率可达到25kHz以上，同时兼容TTL控制电平。由此可见：方案三无论是最大电流和开通内阻相比于方案一和方案二很优秀。综合考虑我们

6、选用方案三综合以上三种方案，选择方案三。1.3MCU控制系统的论证与选择方案一：89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。但是定时器过少，并且没有PWM和ADC功能。方案二：AVR的MEGA16L是一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器，具有高速，还有四通道PWM和8路10位ADC以及两个可编程的串行USART都是本系统所需的重要资源。方案三：MC9S12XS128拥有最高总线速度40MHz，同时实现了8M

7、存储空间连续寻址，同时还有12位的ADC以及支持16位的SPI有4通道24位周期中断定时期。22通过对系统的综合设计考虑以及外设的要求，我们最终选择了MC9S12XS128这款功能更完善，速度更高的单片机。2系统理论分析与计算2.1帆板受力的分析与计算2.1.1帆板转角的原理帆板受力情况如图2-1-1所示，再不受外力的作用下，由于物体重力产生一个重力，竖直向下，所以在没有受到风力的作用时，帆板是竖直的，当受到一个水平的风力的时候，重力和风力合成一个斜向下的力使帆板移动，与竖直方向有一个夹角，当连杆对帆板的拉力等于重力与风力的合力时，帆板可