基于C8051F020单片机的PID帆板控制系统.doc

帆板控制系统 摘 要：设计并制作了帆板控制系统，完成了风扇转速、风力大小及帆板转角的控制。帆板控制系统主要由硬件和软件两部分组成。硬件部分，搭建了控制装置平台，以C8051F020单片机作为控制核心，使用L298N搭建了风扇转速控制电路，利用ADXL345模块完成了转角检测，利用HD7279A键盘管理芯片及12864液晶模块完成了人机交互，使用WT588D-16P语音模块实现了语音提示功能。软件部分，设计了基于I2C的角度传输程序，基于PID算法的PWM调速的程序，基于SPI的键盘检测程序，液晶显示及其菜单程序，语音单线串口控制程序。 测试结果表明，系统在手动状态下能较好完成规定动作，在自动状态下能在规定时间内，顺利完成转角控制，分辨力小于为2°，绝对误差≤5°。 关键词：C8051F020 PWM PID 角度传感器  目 录 1 总体设计 2 1.1 设计要求 2 1.2方案论证与比较 2 1.3系统组成 5 2 软件设计 11 2.1转角传感器的数据处理及计算 11 2.2 PWM产生 12 2.3 PID运算 13 2.4液晶显示驱动的程序设计 14 2.5 系统总体流程图 14 3 系统测试 15 3.1 测试使用的仪器 15 3.2 指标测试和测试结果 15 3.2.1基本要求部分测试 15 3.2.2 发挥部分测试 16 4. 结束语 17 参考文献： 18 附 录: 19 帆板控制系统设计 1 总体设计 1.1 设计要求 （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°，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稳定在 45°±5°范围内。控制过程在10 秒内完成实时显示θ，并由声光提示。 （）当间距d=10cm 时，通过键盘设定帆板转角，其范围为0~60°。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°。 （）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°。 2C系列总线接口。 方案二：ADXL345数字加速度计。ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高(13位)， 其高分辨率(3.9mg/LSB)，能够测量不到1.0°的倾斜角度变化测。既能测量运动或冲击导致的动态加速度，也能测量静止加速度，例如重力加速度，使得器件可作为倾斜传感器使用，带有简易的I2C系列总线接口。 方案三：在帆板底部固定一支激光笔，底板上固定一排（大于30个）接收管（60度，分辨力2°），预先测量出帆板转轴与底板距离。帆板每转过一个角度，激光照射到某个接收管，根据接收管的地址编号可以根据已有数据得到x长度，从而计算出转角大小。例如照射到x1处和x2处的接收管时，角度分别是α、β，其中，示意图如图1.1所示。 图1.1 激光笔转角示意图 综上所述，方案一中，HMC5883L其磁阻传感器在磁场存在的情况下，随着磁场在感应方向上不断增强，电压也会正向增长，适宜在水平面上测量转角；方案三中，采用激光接收装置检测角度，接收管需要多个且分辨力较低，误差较大；方案二中，ADXL345 模块分辨力较高，其I2C串行接口适宜和控制器连接，故采用ADXL345作为转角检测传感器。 2、微控制器的选择 方案一：采用传统的8051单片机作为控制器，8051单片机具有价格低廉、使用简单等特点，但是其存储容量、定时器资源较少，运算速度较低。 方案二：是用宏晶STC单片机，系列产品较多，具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器，定时器、串口等资源丰富，但一般没有专用的在线仿真器，增加了程序调试难度。 方案三：采用新华龙C8051F020作为控制器，具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器，片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。56个I/O引脚，内部带有4K字节内部数据RAM， Flash存储器达64K字节，带有5个定时器，多个PWM控制器，采用流水线指令结构提高了运算速度。可以在线进行仿真调试。 综上所述，从设备运行速度、片内资源、仿真调试性能等方面比较，本设计选择方案三使用C8051F单片机为整个系统控制的核心。 3、风扇的选择 方案一：风扇选用台式计算机散热风扇，供电电源DC12V，转速较高，但风压较小； 方案二：直流供电轴流风扇，转速高，风压大，但出风口面积较小，使得帆板波动性较大； 方案三：选用额定电流1.05A，尺寸较大的工控机专用直流风扇，出风面积