帆板控制系統(tǒng)設(shè)計與總結(jié)報告

1、帆板控制系統(tǒng)設(shè)計與總結(jié)報告摘要本系統(tǒng)采用stm32單片機為控制核心，通過角度傳感器檢測帆板角度，并利用內(nèi)置的pwm產(chǎn)生直流風扇的調(diào)速信號，再由lm298n驅(qū)動直流風扇，使帆板達到設(shè)定的060內(nèi)的任意角度。該系統(tǒng)具有驅(qū)動電流穩(wěn)定、人機界面友好、響應(yīng)速度快、性價比高、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。關(guān)鍵字：stm32、角度傳感器、lm298n、直流風扇。abstract the system uses stm32 microcontroller as control core, through the angle sensor test the panels, and the angle using buil

2、t-in pwm produce dc fan speed control signal, again by lm298n drive dc fans, realize 0 to 60 angle within reach a set with fans. the system has driven stable current, friendly man-machine interface, fast response time, high performance/price ratio, stable, reliable, etc.key word: stm32, angle sensor

3、, lm298n, dc fan.目錄 一、方案的設(shè)計與論證1二、理論分析與計算11.角度測量的基本原理12.風扇控制電路23.控制算法3三、硬件電路設(shè)計31.硬件系統(tǒng)總體設(shè)計32.風扇控制電路43.帆板角度檢測電路54.聲光提示電路55.顯示接口電路6四、軟件設(shè)計61.系統(tǒng)軟件總體設(shè)計62.控制算法設(shè)計與實現(xiàn)73.多級菜單的設(shè)計與實現(xiàn)7五、測試方案與測試結(jié)果81.測試儀器82.測試方法與測試結(jié)果分析8參考文獻9一、方案的設(shè)計與論證根據(jù)題目要求，整個系統(tǒng)可分為控制系統(tǒng)、液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊、電源系統(tǒng)、帆板角度檢測模塊和動力執(zhí)行系統(tǒng)。角度檢測模塊通過角度傳感器檢測帆板傾角，并將信號實時傳回

4、控制器處理?？刂撇糠值淖饔檬墙邮懿⑻幚礞I盤輸入的控制信息以及檢測信號，根據(jù)檢測的角度控制電機的轉(zhuǎn)速來改變風力的大小，從而控制帆板與垂線的傾角。各模塊構(gòu)成系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)采用stm32f103rbt6單片機，其具有72mhz的高速頻率、512k的flash和20k的sram。是運算功能強大的32位單片機，足以滿足本系統(tǒng)對信息處理速度與能力的要求。角度檢測模塊采用導電塑料角度傳感器wdy35，根據(jù)角度的變化改變傳感器輸出的電壓，再通過a/d轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)傳送給單片機，實現(xiàn)檢測角度的功能。動力系統(tǒng)為12v、2.3a的直流風扇，其風力較強，執(zhí)行速度較快，加速性能好，調(diào)速范圍廣，易于

5、平滑調(diào)節(jié)，易于控制。采用l298n作為驅(qū)動芯片，用單片機一個i/o口輸出pwm即可提供控制信號。電源系統(tǒng)由220v經(jīng)變壓器變壓到12v，再由穩(wěn)壓電路lm2596t-5和穩(wěn)壓電路lm2596t-12兩路分別輸出5v和12v。顯示模塊采用液晶顯示屏lcd12864，具有128*64的分辨率，其占用資源少，功耗小，體積小，顯示信息量大，能靈活多變的顯示多種信息。二、理論分析與計算1.角度測量的基本原理如圖2所示，根據(jù)題意帆板固定在與角度傳感器連接的轉(zhuǎn)軸上。把帆板看做一個質(zhì)點，當帆板不受外力時，帆板受重力和軸的拉力，受力平衡。當帆板被風扇風力吹動時，帆板受重力、推力與轉(zhuǎn)軸的拉力。做受力分解為f邊的對角

6、，所以傾角與推力f成正比。若已知帆板所受風力f，則可算出帆板傾角。反之若已知帆板傾角也可算出達到此角度所需的風力值。圖2 受力分析角度傳感器wdy35原理為旋轉(zhuǎn)式滑動電位器，其測量角度范圍為0-360，電壓變化范圍為0-5v。角度傳感器1腳和3腳間為3.3v電壓，2腳輸出的電壓值比上3.3v再乘以最大測量角度360則可計算出檢測角度。根據(jù)題目要求最大測量角度為60，則uad在00.55v之間，提供數(shù)據(jù)給單片機自帶的a/d。uad3.3=360本單片機stm32f103rbt6擁有3個adc，均為12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，adc的結(jié)果可以左對齊或右對齊方式儲存在16位數(shù)據(jù)寄存器中。最大轉(zhuǎn)

7、換速率為1mhz，也就是轉(zhuǎn)換時間為1s（在adcclk=14mhz，采樣周期為1.5個adc時鐘下得到）。2.風扇控制電路采用l298n驅(qū)動芯片驅(qū)動直流風扇，l298n是st公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46v；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3a，持續(xù)工作電流為2a；內(nèi)含兩個h橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器、線圈等感性負載；采用標準ttl邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作；有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作。由于直流電機啟動瞬間電

8、流大于l298n的峰值電流3v，且持續(xù)工作電流接近2a，芯片有較嚴重發(fā)熱現(xiàn)象，經(jīng)測試修改后，采用兩路l298n驅(qū)動芯片，經(jīng)實驗，問題解決。3.控制算法根據(jù)題目，帆板達到角度即要速度也要精度。經(jīng)過實際測試與考慮，決定用開環(huán)和閉環(huán)結(jié)合的方式，即調(diào)試好角度傳感器后，先開環(huán)檢測達到設(shè)定角度t的pwm值，修改初始pwm占空比，再加閉環(huán)去微調(diào)風力。達到角度的流程原理為：先以較大加速度輸出與設(shè)定角度t近似的提前測試的pwm值，當角度差510（由設(shè)定角度決定程序檔位）達到時（加速度改變臨界角度），降低加速度a，實時反饋角度傳感器的數(shù)值，使帆板在最大誤差范圍內(nèi)漸漸趨近于設(shè)定值，從而達到減少時間的題目要求。如圖3

9、。圖3 加速度變化示意圖三、硬件電路設(shè)計1.硬件系統(tǒng)總體設(shè)計本系統(tǒng)包括直流風扇驅(qū)動電路、電源電路、聲光提醒電路、12864液晶顯示電路，系統(tǒng)以stm32f103rbt6單片機作為主控芯片，完成所有電路模塊的檢測和驅(qū)動功能。如圖4所示。圖4 硬件總體電路2.風扇控制電路如圖5，風扇控制電路采用兩路l298n驅(qū)動芯片并為一路的方式，增大了最大輸出電流。圖5 風扇控制電路3.帆板角度檢測電路角度傳感器原理為旋轉(zhuǎn)式滑動電位器，型號為wdy35，角度傳感器1腳和3腳間為3.3v電壓，2腳輸出的電壓值除以3.3v再乘以最大測量角度360則可計算出檢測角度。根據(jù)題目要求最大測量角度為60，則uad在00.5

10、5v之間變化，其值提供給stm32自帶的a/d。如圖6所示。圖6 角度傳感器原理4.聲光提示電路根據(jù)要求，當帆板的角度達到455范圍內(nèi)，由單片機控制三極管開關(guān)使能端，此時蜂鳴器鳴響、發(fā)光二極管點亮，起到提示的作用。如圖7所示。圖7 聲光提示電路5.顯示接口電路系統(tǒng)采用了st7920的128*64液晶顯示模塊，該模塊內(nèi)置了漢字字庫，有串行和并行兩種接口方式，并由模塊的psb引腳控制。當psb接地時為串行方式，接高電平時為并行方式，本系統(tǒng)設(shè)計中采用了串行接口方式。如圖8所示。圖8 顯示電路四、軟件設(shè)計1.系統(tǒng)軟件總體設(shè)計在軟件設(shè)計中，將系統(tǒng)分為5個功能模塊，通過按鍵進行功能的選擇和退出，每個功能都

11、有對應(yīng)的顯示界面，由lcd12864模塊進行顯示。系統(tǒng)主程序流程圖如圖9所示圖9 軟件流程圖2.控制算法設(shè)計與實現(xiàn)軟件控制以反饋閉環(huán)控制的思想為核心，使角度逐漸接近設(shè)定角度。但根據(jù)題目在誤差小的情況下還要快速達到設(shè)定角度，經(jīng)研究決定采用前期開環(huán)后期閉環(huán)的算法。前期開環(huán)是指電機初始pwm采用多次試驗獲得的近似值，接近設(shè)定角度時降低加速度，改用閉環(huán)控制，使帆板漸漸趨近于設(shè)定值由于帆板在不同角度時動力臂和阻力臂都不同，所以不同的設(shè)定角度所需的pwm初值以及達到臨界值后微調(diào)的加速度也不同，把060分為6檔，逐檔調(diào)試到最佳值后，能最大限度的節(jié)省時間，使帆板又快又準的達到題目要求。3.多級菜單的設(shè)計與實現(xiàn)

12、本系統(tǒng)設(shè)計的特色之一是采用了多級菜單界面的設(shè)計，每個界面對應(yīng)一個功能，由按鍵實現(xiàn)功能設(shè)置和切換，每個界面的設(shè)計五、測試方案與測試結(jié)果1.測試儀器萬能表量角器尺子示波器rigol ds1052d2.測試方法與測試結(jié)果分析測試方法：運行題目對應(yīng)的程序，觀察角度變化規(guī)律，反復修改程序，使時間最短。（1）角度傳感器的精度與準確度表1 實際角度21624374260顯示角度21624364261如上表數(shù)據(jù)可知，誤差幾乎為0。（2）設(shè)定角度與實際角度的誤差表2 設(shè)定角度7132734424558實際角度6122636434558如上表數(shù)據(jù)可知，最大誤差為2，符合題目要求。（3）間距d=10時，在誤差值內(nèi)到達設(shè)定值的速度表3設(shè)定角度172