2023年帆板控制系统大学生电子设计竞赛.doc

2023年全国大学生电子设计竞赛帆板控制系统【F题】【高职高专组】 参赛编号 105215 赛 区 河南赛区 组 别 高职高专组 题 目 帆板控制系统 2023年9月3日2023年F题 帆板控制系统本系统采用高性能、低功耗、内含8路10位A/D的单片机芯片AVR ATMEGA128作为系统的主控芯片，设计帆板控制系统，通过单片机编程生成PWM控制风扇的转速，调节风力大小，吹动帆板摆动。通过测试，作品达成了题目基本规定。帆板控制系统设计报告摘要：该文是一个帆板控制系统设计报告。以AVR ATMEGA128单片机最小系统板作为系统的主控电路，涉及按键显示电路。采用专用电机驱动芯片L298N作为FFC1212DE直流风扇的驱动电路，用高精度角度传感器WDD35D4实时检测帆板偏转角度，将偏转角度转化为电压信号。通过AVR MEG128单片机其自带的A/D转换，将采样到的电压信号进行数字滤波算法分析，转换输出帆板偏转的角度。用单片机生成PWM控制脉冲，通过控制PWM的占空比控制风扇的风速大小。并用LCD1602液晶实时显示测量的角度。控制算法采用数字滤波算法和PID积分算法。通过测试，作品达成了题目的规定。关键词：单片机；PWM控制；帆板；角度控制The Panels Control System Design Report Circuit (Subject group electrical，Department of electric information engineering，Henan Institute of Engineering，Zhengzhou，Henan， 450005)Abstract：This system is a panels control system design. With AVR ATMEGA128 single-chip processor is proposed as a minimum the system board of the system, the main control circuit with the necessary buttons show circuit. Using special motor drive chip L298N as FFC1212DE dc fan driver circuit, with high precision Angle sensor WDD35D4 real-time detection deflection Angle deflection, the panels will be Angle into voltage signal. Through the AVR ATMEGA128 single-chip processor is proposed its own A/D conversion, will the voltage signal sampling to digital filtering algorithm analysis, the Angle of output conversion panels deflection. With single-chip computer PWM control pulse generating, through the control of PWM duty ratio control fan of the wind speed size. And LCD1602 liquid crystal displays real time measurement of the Angle. Control algorithm USES digital filter algorithm and integral PID algorithm. After the test, the work to subject demand.Keywords：Single-chip microcomputer；PWM control；The panels；Turn control 目录1系统方案41.1 电机驱动模块的论证与选择41.2 角度传感器的论证41.3 显示模块的论证41.4 风扇模块的论证41.5 电源模块的论证42理论分析与计算42.1 风扇控制电路42.2 角度测量原理52.3 控制算法53电路与程序设计63.1总体原理图63.2风扇控制电路设计63.3控制算法与实现73.4程序流程图114测试方案与测试结果74.1测试方案84.2 测试条件与仪器94.3 测试结果及分析105设计总结106整体测试10附录1：电路整体图11附录2：显示效果图11参考文献12 1、 系统方案按照题目的基本规定，设计并制作一个帆板控制系统，控制风扇的转速，使帆板发生角度偏移并用液晶实时显示测量角度，并且可以通过按键设定帆板要达成的角度。帆板控制系统图如图 1 所示。图 1 帆板控制系统图本系统重要由电动机驱动模块、高精度角度传感器检测模块、单片机按键、LCD显示模块、风扇模块和电源模块组成。1.1电机驱动模块电动机驱动模块可以采用L293和专用电机驱动芯片L298N，通过单片机控制输出不同占空比的PWM信号驱动电机驱动芯片控制风扇的转速，使帆板产生不同的角度偏移并用LCD液晶实时显示，由于L293在实际测量中刚工作发热量太大，不利于电路的稳定性和可靠性。L298N最大工作电压可以达成3A，连续工作电压为2A完全满足实际需要。因此选择L298N作为电动机驱动芯片。1.2 角度测量模块 角度测量采用高精度角度传感器WDD35D4，通过AVR ATmega128单片机其自带的A/D转换，将采样到的电压信号进行数字滤波算法分析，转换输出帆板偏转的角度。1.3 单片机按键、显示模块 通过按键用来控制和设定帆板所要达成的角度，由于设计所要显示的数据太多假如用数码管显示便会占用太多的I/O口，因此本设计采用液晶实时显示。1.4 风扇制作模块 风扇机械模块采用采用铝合金材料制成支架。热缩管将帆板固定粘接在转轴上，其转轴上固定的帆板由纸板裁剪而成，角度传感器安装固定在支架上并将角度传感器装置的与转轴同轴。1.5 电源模块由于直流风扇电机功率为28.8W，因此需要大功率变压器输出足够大的电流（2.4A左右），因此采用DC-DC降压芯片LM2596-5输出+5V驱动L298N芯片，采用LM2596-ADJ调节输出大于等于12V小于16V的电压给直流风扇电机供电。2、 理论分析与计算2.1风扇控制电路 风扇电动机电路采用L298N芯片控制。该芯片是专用的电机驱动芯片。其内部具有H桥的高电压、大电流全桥驱动器，可以用来驱动直流电机和步进电机，采用标准逻辑电平控制，具有两个使能控制端，在不受输入信号影响下允许或严禁器件有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作。芯片最大工作电流2.5A，额定功率25W。图2是电机驱动原理图图2 风扇控制电路原理图 电路需要两路电源输入：芯片电源和电机电源。PWM信号通过P1的1、2端口输入，通过单片机控制P1的第三端（使能端）。PW信号控制芯片输出两路信号控制电动机的转动。图中二极管重要起到续流作用，采用一般整流二极管1N4007。同时我们又在电机的电枢两端并联一个瓷片电容，以稳定电机的电压不致对单片机导致干扰。实际效果不错，省掉了通过光耦隔离，实现单片机输出信号与电机驱动隔离的环节。与L298N具有相同功能的L293芯片也可以驱动电动机，但是L293的工作电流与L298N比较较小，输出功率也不如L298N并且发热量太大。通过实际应用验证，L298N电机驱动该方案可靠、可行。2.2 角度测量原理角度测量采用高精度角度传感器WDD35D4实时检测，此传感器根据电位器原理设计，其具有机械寿命长、分辨率高，转动顺滑、动态噪声小的性能并且该传感器不需要外围电路，使用方便。实际角度测量原理：帆板偏转的角度通过传感器WDD35D4转换输出电压信号，该电压信号通过AVR Atmega128单片机内部A/D采样，编程转换相应角度值并用液晶显示，实际测量中测量角度值与实际角度值的绝对误差稳定在<=3°C,完全满足题目规定的<=5°C。通过实际验证，该传感器应用简朴方案可行。图3为角度传感器示意图 图3 角度传感器示意图2.3 角度控制算法角度控制算法采用数字滤波算法。引入数据解决算法后，使许多本来靠硬件电路难以实现的信号解决问题得以解决，从而克服和填补了涉及传感器在内的各个测量环节中硬件本省的缺陷和弱点。引入数字滤波算法有以下作用：克服随机误差、消除系统误差。当角度传感器旋转时，采用数字滤波算法来克服低频振动现象。其原理是由单片机的A/D端口对角度值多次采样，去除最大值和最小值，然后对剩余的值取平均值，即可得到比较稳定的角度值。在实际编程过程中采用了数字滤波算法，由单片机的A/D端口对角度值分五组反复采样25次，每一组去除最高值、最低值，然后取平均值。将五组的平均值中除去最大值和最小值，再次求平均值，得到的便是稳定的角度值。通过实际编程和相应的电路测试该算法得到了实现，用传感器测得的角度值与实际测量角度相差小于等于3°C，完全符合题目实际规定。事实证明此方法切实可行。 3、 电路与程序设计3.1 由于在设计系统时采用的是AVR Atmega128最小系统板所以只需要外扩按键和显示电路即可。图3是按键和显示总体电路图 图3 按键和显示 3.2风扇控制电路设计计算风扇控制电路重要是L298N模块驱动风扇的电动机，要使风扇在10CM处使帆板可靠地达成60°，直流电风扇必须有足够的输出功率。通过多次选择和实验发现，假如电源的功率不够怎不能很好的驱动直流风扇进而无法达成题目所规定的60°，因此对于风扇的控制电路电源的功率必须足够。通过实验我们采用了电源输出大约30W，对直流电机需要12V供电，然而电源电压通过L298N电压下降大约2V，所以电源电压为12+2=14V，直流风扇的输出电流达要达成2A、电压12V时可以使系统达成题目的规定。3.3控制算法设计与实现 角度传感器检测的角度信号转换输出电压信号，由单片机的A/D采集转换，用数字滤波算法得到可靠的反馈值。并用液晶实时显示。同时可以用单片机控制输出不同占空比的PWM信号，用这个信号控制专用电机驱动模块L298N。由电机驱动模块直接驱动风扇电机转动输出大小不同的风速，吹动帆板产生角度的偏差，角度传感器实时检测角度变化和输出相应的电压值，此时的电压值通过A/D采样转换，经单片机编程便可在液晶上显示。输出PWM信号采用PID积分算法，方法如下：单片机输出不同占空比的PWM信号，可以得到帆板的不同的角度。先将实验得到的帆板旋转角度实时取样到单片机。将这些值预存入单片机ROM区，当帆板处在当前角度条件时，按键输入新的设定值，这时单片机计算PWM波的差值。单片机将输出单片机根据差值大小，每次步进增减不同的PWM值，当帆板的角度接近于目的角度时步进增减的PWM值最小为1，采用数字滤波算法来克服低频振动现象。3.4程序设计流程图 (1) 总程序流程框图图4 总程序流程框图 (2) 数字滤波算法流程图图5 数字滤波算法流程图4、 测试方案与测试结果4.1 测试方案(1) 硬件测试 下图是实际电路测试的结果，液晶上显示了，帆板偏移10°C以及其所相应的模拟电压值。 (2) 软件测试图3所示是软件测试单片机控制PWM信号，并实时显示测量的角度，A/D采集的模拟电压以及PWM在60°C时的占空比。 4.2 测试方法和仪器在与传感器的轴上固定一个大约15克的纸板。观测纸板是否垂直，并观测显示屏上的度数。数秒后用键盘输入一个度数，通过单片机对直流风扇电动机进行控制调控角度液晶显示度数。待系统稳定后，在用量角器进行测量，在于液晶屏上的数据对比，以此来验证系统的准确性。调试使用仪器：模拟示波器20MHz、直流稳压电源、实验台，量角器。 4.3 测试数据表 距离(cm)实际测量(°C)设立显示度数(°C)绝对误差(°C)71619327252413925049110605734138328262161511513152302914850254531测试数据：（1）用手转动帆板时，可以数字显示帆板的转角。显示范围为060°，分辨力为1°，绝对误差3°。 （2）当间距d=10cm 时，通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角可以在060°范围内变化，能实时显示值。 （3）当间距d=10cm 时，通过操作键盘控制风力大小，使帆板转角稳定在 45°±3°范围内。控制过程在10秒内完毕，实时显示，并由声光提醒，以便进行测试。 （4）当间距 d=10cm 时，通过键盘设定帆板转角，其范围为 060°。在5秒内达成设定值，并实时显示。最大误差的绝对值不超过3°。 （5）间距 d 在715cm 范围内任意选择，通过键盘设定帆板转角，范围为060°。在 5 秒内达成设定值，并实时显示。最大误差的绝对值不超过 3°。4.4 测试数据分析通过以上表格中可以看出，在距离帆板不同距离时实际测得的度数与角度传感器测得显示的度数，绝对误差稳定在3°以内，完全满足题目的规定。5、 设计总结此帆板控制系统设计，充足运用AVR Atmega128内部的8路10位A/D和两路8位PWM 分别采样角度传感器的输出电压信号和控制风扇电动机的转速进而达成实时转换显示和改变角度。在设计本系统时我们一方面碰到的难题便是帆板支架的制作，在制作帆板装置时我们碰到了一系列的机械难题，但都在队员们的齐心合力下克服了。帆板控制系统所需要的硬件电路困难不是太大，重要是软件的编写，由于编程量大、编写复杂的缘故我们在完毕基本规定的基础上，也只是完毕了一部分发挥部分。所以此系统的发挥部分和其他附加功能有待开发。6、 整体测试附录 一附录 二参考文献1 高星，王友平太阳电池阵驱动机构的通用化、系列化和组合化设计J，空间科学学报，2023，22(增刊)：5568Gao Xing，Wang YoupingThe universlization serialization and modularization design of solar array drive assembly(SADA)JChinese Journal of Space Science。2023，22(Supp2)：55682 Patrick S，Christine EHigh performance stepper motor for space mechanismsRNASA，bi95-27271，19953 Cabilic J，Foumier J PDesign consideration on the solar array drive mechanism developed for SPOTCThe 2nd Space 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