帆板论文第三组

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1、2012山东省大学生电子设计竞赛论文题目：帆板控制系统论文编号：参赛学校：青岛工学院参赛学生：张庆、姜庆旺、付燕星联系方式18765939582指导教师：金余义二0一二年八月帆板控制系统（F题）青岛工学院张庆姜庆旺付燕星摘要：木系统通过LM3S1138微控制器作为帆板控制系统核心。经微控制器处理输出PWM波控制风扇转速，帆板角度测量由WDD35D4角位移传感器实现，微控制器ADC模块把电压转换成角度值，开发板LCD显示当前帆板角度值。另外，能操作键盘控制风力大小从而实现帆板角度的变化。也能通过键盘设定角度，控制PWM占空比控制转速从

2、而达到预设角度。最后的实验表明，系统完全达到了设计要求。关键词：帆板控制系统LM3S1138WDD35D4角位移传感器1.方案设计与论证经分析题目要求，系统可分为如下儿部分：微处理器模块，直流电机驱动模块,传感器模块，人机交互模块。d一AUO图1系统物理结构图1.1微处理器的选择方案一：采用AT89C52单片机实现，可编程实现各种算法和逻辑，但其处理速度慢，从采集到单片机处理，再到控制电机转动，整个过程持续时间长，增加了系统的控制难度，同时，AT89C52单片机需用仿真器來实现软硬件调试，较为繁琐。方案二采用LM3S1138实现，3

3、2位ARMCortex™-M3内核，可编程实现各种算法和逻辑，仅需插入一根USB电缆就能实现“三合一”功能：5V供电、程序下载与在线仿真、UART串行通信。不仅处理速度快，而且性能高、功耗小、成本低。综合比较，我们选择方案二。1.2传感器模块方案一：加速度传感器，加速度传感器能实时精确的测得帆板的角度和加速度值，缺点是加速度传感器价格比较贵，读取数据时间比较长。方案二：角位移传感器，单片机通过采集电压來确定角度值。它价格低廉，易于连线。综合比较，我们选择方案二。1.3其它模块直流电机驱动模块使用L298直流/步进电机驱动芯片，稳定性

4、好。显示模块使用128*64液晶，键盘使用4*4键盘。2.理论分析与计算2.1系统原理框图如图2所示：木系统通过一片单片机完成控制任务，单片机输出PWM波,按键调节PWM波占空比控制电机转速改变风力大小，角位移传感器测出电压值，再由单片机转换成角度值，由液晶送显。图2系统总框图2.2风扇控制电路与驱动电路本设计应用直流电机驱动芯片L298驱动宜流电机，此驱动芯片只要在使能端口输入PWM波就可以控制电机转速。电机驱动电路图3。图3电机驱动电路图2.3角度测量原理采用WDD35D4角位移传感器测量角度。将电位器的旋转轴和帆板轴承固定,轴

5、承转动时将会引起电位器的变化，通过阻值的变化来改变电位器的分压，这样，在摆动范围内每一个位置都对应一个电压值，即可以通过采集电压來确定角度值。此芯片只有模拟输出，所以需要通过单片机的AD模块采集传感器信号，由单片机处理其电压与帆板角度的转换。连接图见图4。图4角位移传感器2.4控制方法与PID算法本次设计通过键盘实现题门的耍求，通过控制电机的转速从而控制帆板的角度。当系统工作时，系统不断地采集数据，通过单片机处理获得当前角度，通过键盘可以控制风力大小，调节帆板角度，也可以通过键盘设定相应角度，通过PID调节使帆板达到相应角度，从而实

6、现更快，更准确的控制。PID调节器的控制系统如图5所示。+I图5PID的调节控制系统h(t)当前角度与设定值的差值作为PID的偏差值，运用PID增量式的计算方法。其计算公式:△U=Kp(e(k)-e(k-l))+Kie(k)+Kd(e(k)-2e(k-l)+e(k-2))(e(k)本次偏差值，e(k-1)上次偏差值，e(k・2)为上上次偏差值)在实验中调节p、i、d的参数值从而达到稳定的控制系统。2.5显示部分本系统除了完成题目所要求的基本部分和发挥部分外，还加入了自己的创新部分，即通过键盘的控制可以在LCD液晶屏上显示当天的口期、

7、时间、气温、帆板的摆动角度，使本系统可视化更强，更好实现人机交互。1.电路与程序设计3.1风扇控制电路设计计算本电路采用12v电压供电，单片机输出PWM波给电机驱动的使能端，通过调节占空比控制转速大小，例如，占空比是91%,对应角度是45°o3.2程序设计图6系统主程序流程图如图6所示，本系统的软件部分主要由控制模块，信号采集模块，显示模块组成。软件实现的功能：1、读取角度传感器输出的电压，把电压转换成角度信号2、对电机速度的控制3、实现对LCD数据的输出。3.3总体电路图见附录图7.4.系统测试与结果分析4.1测试环境•时间：20

8、12年8月28F1•温度:28°C•地点：实验室内4.2测试仪器34401A六位半数字万用表；秒表；直尺；CA1800系列多路直流稳压电源。4.3测试方法首先，检查外围电路和风扇电路，确定无误时开始测试整个系统。接通电源，初始化各个模