风帆控制系统(附带原理图及程序)

55
60
显示
角度
2
5
5
10
15
20
25
30
35
41
44
50
56
60
（2）设定风扇到帆板的距离为10厘米时，设定角度任意，达到角度耗时数据如下：
设定角度
10
15
20
25
30
40
50
20
25
30
40
50
60
用时（S）
3.63
3.45
3.55
2.82
2.97
3.54
3.26
3.01
（3）设定任意距离、任意角度，当达到设定角度时用时时间如下表
方案二：通过PWM控制风速。控制结构简单通过调节输出信号的占空比实现了对电机速度的控制。系统低速运行平稳，调节范围较宽，快速响应性好，动态抗干扰性强。因此选用方案二。
5、风扇驱动芯片的比较
方案一：选用中功率三极管TIP32。额定电流1.5A，饱和压降0.2V，价格低。缺点是功率损耗较大。
方案二：选用场效应管IRF540。导通压降非常低，额定电流28A，相比于三级管，更适合于开关电路，且不易受温度的影响。
5、系统的软件设计
（1）软件流程图如下：
五、系统测试
1、测试仪器
量角器，螺丝刀。
刻度尺：精度1mm。
秒表：精度0.01s，两块。
2、测试方法及结果
（1）使用螺丝刀调节帆板摆动的角度，读出液晶显示角度的度数并记录。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
调节
角度
2
5
6
10
15
20
25
30
35
40
45
50
2、单片机最小系统电路的实现
单片机最小系统为整个控制电路的核心部分，它主要完成了对信号的分析与处理。电路如下图。
3、风扇控制电路的实现
此电路采用场效应管IRF540n作为驱动芯片，风扇采用12V供电，单片机I/O可直接控制场效应管，此电路具有很好的高频特性，抗干扰能力强。
4、液晶显示电路的实现
此电路模块采用了LCD1602芯片来完成实时信息的显示，电路简单，易于控制，显示信息量大。
通过比较可以看出，方案二明显优于方案一，更适合设计中大功率风扇。因此，选用场效应管IRF540.
6、显示器方案的比较：
方案一：LED数码管显示其角度值，亮度高，成本低，控制简单。显示内容不够丰富。
方案二：采用LCM1602液晶显示屏，可显示两行32为数据，显示简单。考虑到本题的要求，只要一片LCD就可以，因此选用此方案。
3、发挥部分
（1）当间距d=10cm时，通过键盘设定帆板转角，其范围为0~60°。要求θ在5秒内达到设定值，并实时显示θ。最大误差的绝对值不超过5度。
（2）间距d在7~15cm范围内任意选择，通过键盘设定帆板转角，范围为0~60°。要求θ在5秒内达到设定值，并实时显示θ。最大误差的绝对值不超过5°。
3、AD转换器方案的比较：
方案一：ADC0809转换角度传感器输出的电压。程序简单，转换通道多。此方案缺点在于ADC0809与单片机连接口线多，
方案二：采用双通道的ADC0832，此芯片串行输入，占用I/O口较少，电路简单，控制方便。因此选用方案二。
4、风速调节方案的比较:
方案一：采用PID来控制风速。风速调节稳定，风力大小均匀，但电路控制复杂，难以实现。
附录B………………………………………………………………………………18
参考文献……………………………………………………………………………19
一任务及要求
1、任务
设计并制作一个帆板控制系统，通过对风扇转速的控制，调节风力大小，改变帆板转角θ，如图1所示。
2、基本要求
（1）用手转动帆板时，能够数字显示帆板的转角θ。显示范围为0~60°，
四、电路的硬件设计与软件设计
1、角度检测电路的实现
在帆板角度的检测工程中我们运用了高精度角度传感器（线性精度0.1%），此传感器通过对帆板偏离竖直角度的测量，对应线性输出一定范围内的电压值，经过多次测试得出帆板的偏转角度与传感器的输出电压成正比关系。将输出的电压通过AD转换送给单片机进行处理，完成对角度的检测。电路如下图：
7、结构框图的设计
根据以上分析及题目要求，设计任务主要完成风扇风力对帆板角度的精确控制，并能对控制过程中的相关数据进行显示。为完成相应功能，我们设计了如下结构框图。
三、理论分析与计算
1、帆板偏转角度的计算
帆板系统的难点在于角度的读取，用角度传感器来检测帆板偏转的角度。传感器的精度要求较高，因此，我们采用的角度传感器是一个阻值为5K的WDD35D－4精密导电塑料电位器Sensor，其理论电气转角为360°±2°，即转轴旋转接近一周时，Sensor的抽头从一端滑动到另一端，阻值从0K变化5K。由题意可知角度传感器旋转的角度Ø范围为60°，在传感器上加上5V电压，计算：
二方案的设计与论证
1、帆板的设计
方案一
方案二
经过多次测试，方案三优于其他两种方案，因此，选择方案三。
2、角度测试方案的比较与论证
方案一：选用日本
方案二：使用导电塑料电位器作为角度传感器，优点是灵活度高，精度高，易于安装，缺点是测量范围比上面要小。
经过两个方案的比较，方案二更适合于题意，因此，我们选用方案二。
二、方案的设计与论证
1、帆板的设计……………………………………………………………………4
2、角度测试方案论证……………………………………………………………5
3、AD转换电路方案的比较……………………………………………………5
4、风速调节方案的比较…………………………………………………………5
5、风扇驱动芯片的比较…………………………………………………………5
6、显示方案的比较………………………………………………………………6
7、结构框图的设计………………………………………………………………6
三、理论分析与计算
1、帆板偏转角度的计算…………………………………………………………6
2、风速控制的计算………………………………………………………………7
四、电路的硬件设计与软件设计
关键词：比例调节、角度传感器、PWM、LCD、帆板、AT89C52；
Abstract：the design for a the panels control system, to control the microcontroller of AT89C52 core, with the way to control PWM wind blowing the panels, and the size to deflect, through the Angle sensor to measure the panels Angle, the measured results back to the microcontroller is used to control the size of wind power, which constitute a closed-loop control system. Through the buttons can control the size and the panels, wind Angle with the related data display LCD. Stents are pure handmade board joining together into, beautiful shape, durable, environmental protection.
附录A
////////////////2011年全国大学生电子大赛F题程序///////////
////////////////帆板控制系统（F题）////////////////////
PWM频率
45
65
85
105
125
145
165
185
205
225
245
角度
18
22
25
29
32
36
40
45
49
54
60
由图表数据得PWM与角度成如下图所示关系：
由以上可知角度θ与PWM成正比关系，存在正比例系数K，就有：PWM=K*θ。在调节某一角度时就可以先送出该角度对应的PWM值，然后再通过闭环系统进行微调。
五、系统测试
1、测试仪器………………………………………………………………………10
2、测试方法及结果………………………………………………………………10
3、测试结果分析…………………………………………………………………11
六、设计总结………………………………………………………………………11
附录A………………………………………………………………………………12
10
20
30
40
50
60
达到角度
5
10
20
30
40
50
60
用时（S）
4.60
3.85
3.69
3.35
3.46
3.32
3.51
3、测试结果分析
由以上测试结果可以看出，本控制系统能够快速、准确地达到设定要求值。其中到达角度与设定角度之间的差值均小于2°，完全满足误差要求。还有，到达任意角度的时间均在5s之内，也满足了时间方面的要求。由此可知，本系统是一个性能比较完善和优越的帆板控制系统。
六、设计总结
经过三天四夜的努力，终于实现了基本要求及发挥部分。三人齐心协力，积极讨论，分工明确，都获得了非常大的收获。一方面意识到想更好的完成任务，必须提高团队意识，三个人的思路放在一起择优取之，总比一个人独立思考来的轻松；另一方面锻炼提高我们专业技能，有利于今后在电子行业有更好地发展。在设计过程中，出现了许多很难解决的问题，如风扇力度不够，帆版抖动太大，AD转换显示不稳等等，我们在这些问题中不断进步，不断突破障碍，无论是从硬件还是软件都解决了问题。其中在解决帆版抖动时，也可以在帆板是加一小重物，也可以把PWM周期缩短。在参赛过程中，我们一次又一次地体会到成功带来地快乐，但也饱偿了失败带来地痛苦，但庆幸是我们并没有被一次又一次地失败所打到，从单片机地编程到模拟电路地设计，从电路板地制作到电路地调试，我们从中学到了什么才是细心，什么才是耐心，在专业知识的获取上，我们不得不说我们丰收了，同时在个人的素质方面，我们收获更多。比赛虽然已临近结束，但我们的那种毅力和斗志却永远都不会消失，我们坚信它们一定会永远激励着我们在知识的海洋里勇往直前！
5V*60°/360°=0.833V。电压变化范围是0.833V，经过AD转换后，AD值变化范围为：256*0.833/5=42.67。
所以帆板每偏转1°，对应的AD值变化为：42.67/60≈0.7。因此AD值与角度关系如下图：
2、风速控制的计算
PWM控制调节风速时，为了达到快速调节的目的，我们进行了如下测试
Keywords：Angle sensor; PWM; LCD; The panels; AT89C52；
一、任务及要求
1、任务……………………………………………………………………………3
2、基本要求………………………………………………………………………3
3、发挥部分………………………………………………………………………3
1、角度检测电路的实现…………………………………………………………7
2、单片机最小系统电路的实现…………………………………………………8
3、风扇控制电路的实现…………………………………………………………8
4、液晶显示电路的实现…………………………………………………………9
5、系统流程图……………………………………………………………………9
7
厘
米
设定角度
5
10
20
30
40
50
60
达到角度
5
10
20
30
40
50
60
用时（S）
4.36
3.85
3.74
3.62
3.23
3.14
3.52
12
厘
米
设定角度
5
10
20
30
40
50
60
达到角度
5
10
20
30
40
50
60
用时（S）
4.56
4.12
3.87
3.46
3.21
3.52
3.43
15
厘
米
设定角度
5
摘要：本设计为一个帆板控制系统，以AT89C52单片机为控制核心，用PWM的方式来控制风力大小，从而吹动帆板偏转，通过角度传感器对帆板角度进行测量，测量结果送回单片机用来控制风力的大小，由此构成了一个闭环控制系统。通过按键可以控制风力大小和帆板角度，用LCD将相关数据显示出来。支架是纯手工制作的木板拼接而成，造型美观、耐用、环保。
分辨力为2°，绝对误差≤5°。
（2）当间距d=10cm时，通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角θ能够
在0~60°范围内变化，并要求实时显示θ。
（3）当间距d=10cm时，通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角θ稳定d调节装置转速控制风力角度检测信号转轴帆板风扇θ键盘数字显示F-2在45°±5°范围内。要求控制过程在10秒内完成，实时显示θ，并由声光提示，以便进行测试。