帆板控制系统设计报告

帆板控制系统设计报告（F题）

摘要：该系统，以STC12C5A60S2单片机作为主控制器，产生PWM波，经过大功率功管IRF530芯片驱动电机让风叶转动，使帆板发生角度偏移，由角度传感器(型号WDJ22G—A6)将角度的变化转化为电压，然后经OP07放大器传送到单片机的P1.2口（即ADC口），通过单片机的A/D进行AD 采样转换，对角度传感器采集到的电压进行分析和处理，转换成代表角度的数字信号，采集的信号最终由LCD12864显示。此外系统还可以通过按键随时控制风力大小，使帆板固定在某一转角上，并有声光、语音提示，以便进行测试。整个测量的分辨力为1度左右，绝对误差为1度。

关键字: 单片机、机械式角度传感器、PID，PWM

目录

1系统方案论证及方案选择

2 本系统软硬件设计

2.1单元硬件电路设计

2.1.1 MCU系统及外围电路

2.1.2 角度传感器信号采集电路设计

2.1.3 直流电机风扇的驱动设计

2.1.4 语音提示电路设计

2.2 软件部分设计

2.2.1 PWM波的产生

2.2.2 STC12C5A60S2单片机AD转换的设计

2.2.3 LCD液晶显示部分的设计

2.2.4 帆板角度控制PID算法设计

3. 系统连调及测试

3.1指标测试和测试结果

4.结论

参考文献

附录1 原器件清单

附录2电路原理图及印制板图

附录3程序

1. 系统方案论证及方案选择

1.1 总体设计方案

题目要求设计一个帆板控制系统，通过对风扇转速的控制，调节风力的大小，改变帆板?，并能实时显示其转角大小。设计主要由主控单片机STC12C5A60S2驱动直流电机，使风扇工作，带动帆板的转动，由角度传感器将偏移量进行电阻—电压的转换，转换结果通过运算放大器OP07进行传输，单片机的AD口对采集到的数据进行分析与处理，最后将转换的数字信号显示在LCD12864上,APR9600进行语音提示，当帆板角度到达所设定角度后，会进行提示，或者每变化多少度后进行一次提示。

图一

1.2方案论证与选择

1.2.1 设计要求及思路

题目要求设计一个帆板控制系统，通过对风扇转速的控制，调节风力的大小，改变帆板?，并能实时显示其转角大小。我们设计主要有主控单片机STC12C5A60S2控制直流电机（驱动芯片IFR530），使风扇工作，带动帆板的角度转动，由角度传感器将偏移量进行电阻—电压的转换，转换结果通过运算放大器OP07进行传输，单片机的AD口对采集到的数据进行分析与处理，最后将转换的数字信号在LCD液晶显示屏上显示。

1.2.2方案论证与选择

风扇转速控制系统的方案论证与选择

方案一：以普通单片机为核心，配以外围电路。

采用AT89C52单片机，单片机模拟产生PWM，通过H桥及专用的驱动芯片。如：L298N驱动直流风扇，角度信号通过专用的数字芯片、光电编码器、旋转变压器、机械式角度传感器等，实现角度测量。再配以LCD屏、数码管、TFT屏、点阵屏等实现控制信息以及数字信息的显示。由于普通单片机功能有限，因此在使用时外围电路较复杂，所以在较短时间实现与完成稳定性、可靠性较差。

方案二：以高性能的处理芯片，如ARM、DSP、FPGA等为核心、配以外围驱动电路。高性能的处理芯片，处理速度比较快，片资源丰富，库函数丰富，软件编写方便。但是价格贵。分析本题，该系统的处理量并不是很大，所以我们不选择此方案。

方案三：以中高档单片机为核心，配以外围驱动外围芯片组成的系统。

本系统的设计采用STC12C5A60S2单片机，其特点是高速、低功耗、超强抗干扰，指令代码完全兼容8051，速度快8—12倍。部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S，即25万次/秒），针对电机控制，强干扰场合。其部包含中央处理器（CPU）、程序存储器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定时/计数器、UART 串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片R/C振荡电路等模块。STC12C5A60S2单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。同时价格不高，掌握较易。基于这个特点我们选择这个芯片作为我们的控制核心。

角度传感器的选择与介绍：

数字式倾角（角度）传感器和单片机技术研制而成的现代智能化倾角测量仪器，广

泛应用于测量平面和圆柱面对水平方向的倾角度，以及检验各种机床及其它设备工作台

及导轨的平面度、直线度和垂直位置的正确度。其特点精度高,使用方便，功能齐全，

但不易调节，对调试造成困难。机械式位移传感器，是一种以电压输出与轴旋转角度或

直线位移为线性关系的非线绕电位器，其特点是高精度、高寿命、高平滑性、高分辨率。

可用作位置反馈、位置检测、电平调节等。该传感器使用简单，稳定。本方案就采用此

传感器。接线方式如下图。

接线方法

图二

通过分压获得含有角度信息的电压信号，再通过op07进行3倍放大，输入进STC12C5A60S2单片机的AD输入口。本系统使用了本单片机的10位AD.

目前比较流行直流电机驱动及速度控制采用专用驱动芯片及大功率的晶体管组成的H桥实现。分析本系统，只要求风扇旋转0-60度，所以我们采用了通过单管IFR530配以9014来实现直流风扇的驱动电路如下。控制方式采用Pwm。Pwm信号由STC12C5A60S2单片机的产生。

图三

显示部分有多种选择，如数码管、Lcd、点阵屏等，根据本题的特点，我们采用LCD12864来实现控制信息及测量数据的显示。根据题目要求我们选择12v12W的不带调速的直流风扇。

二.本系统软硬件设计

系统主要由单片机产生PWM信号，通过大功率的场效应管驱动直流风扇，对其的转速进行控制，使帆板偏离原来的方向，采用角度传感器记录偏移量并实现角度—电压的转换，将单片机处理结果在显示在LCD12864。根据题目要求，我们的设计分硬件、软件两部分。

2.1 单元硬件电路设计

2.1.1 MCU系统及外围方案设计

因此单片机本身就具有AD口和PWM波的产生端口，所以在其外部进行采集数据时采用了它的AD十位数据存储器。电机驱动直接采用单片机自身的PWM来驱动。其原理图如下所示：