2011年全国大学生电子设计竞赛-帆板控制系统（f题）_精品.doc

2011年全国大学生电子设计竞赛 【组】 20年9月6日 摘 要 目 录 1系统方案 1 1.1角度调整系统方案的论证与选择 1 1.2 电机驱动方案的论证与选择 1 1.3 MCU控制系统的论证与选择 1 2系统理论分析与计算 2 2.1 帆板受力的分析与计算 2 2.1.1帆板转角的原理 2 2.1.2 帆板的受力分析 2 2.2倾角传感器的分析与计算 3 2.2.1 倾角传感器系统原理 3 2.2.2 倾角传感器的计算 3 2.3 电机转速控制的分析与计算 3 2.3.1 电机转速控制的分析 3 2.3.2 数字PID控制算法的计算 3 3电路与程序设计 4 3.1电路的设计 4 3.1.1系统总体框图 4 3.1.2 控制电路 5 3.1.3 键盘管理电路 5 3.1.4 显示系统电路 6 3.1.5倾角传感器电路 7 3.1.6电机驱动电路 8 3.1.7测速反馈电路 8 3.1.8电源电路 9 3.2程序的设计 9 3.2.1程序功能描述与设计思路 9 3.2.2程序流程图 10 4测试方案与测试结果 12 4.1测试方案 12 4.2 测试条件与仪器 14 4.3 测试结果及分析 14 4.3.1测试结果(数据) 14 4.3.2测试分析与结论 15 附录1：电路原理图 16 附录2：源程序 17 帆板控制系统（F 题） 【组】 1系统方案 本系统主要由模块、模块、模块、电组成，下面分别论证这几个模块的选择。 1.1的论证与选择 WDD35D-4是360°连续机械转角的线性电位器，精度可达到1%，将电位器旋钮和电位器分别于帆板和连杆结合，在帆板转动的同时带动旋钮改变阻值，用AD测出电压变化,从而换算出倾斜角度。 方案二：飞思卡尔公司的MMA7445 三轴加速度传感器，它MMA7260 三轴加速度传感器功能类似，不同点是它输出的是数字量，同样拥有低功耗，高稳定性等特点。 方案三：飞思卡尔公司的MMA7260 三轴加速度传感器，它具有灵敏度可选，低功耗，高稳定性等特点，并且输出模拟信号，同时它的体积小，工作可靠，调试倾角方便等特点也是一方面优势。 方案一线性度好但是机械结构比较复杂，方案三输出的是数字量，精度不可调，方案二可以改变外部AD来实现。综合以上三种方案，选择方案三。 1.2 的论证与选择 综合以上三种方案，选择方案三。 1.3 控制系统的论证与选择 89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。 方案二：AVR的MEGA16L是一款高性能、低功耗的 8 位AVR微处理器，具有高速，还有四通道PWM和8路10 位ADC以及两个可编程的串行USART都是本系统所需的重要资源。 方案三：MC9S12XS128拥有最高总线速度40MHz，同时实现了8M存储空间连续寻址，同时还有12位的ADC以及支持16位的SPI有4通道24位周期中断定时期。 通过对系统的综合设计考虑以及外设的要求，我们最终选择了MC9S12XS128这款功能更完善，速度更高的单片机。 2系统理论分析与计算 2.1 的分析 2.1.1帆板转角的原理 帆板受力情况如图2-1-1所示，再不受外力的作用下，由于物体重力产生一个重力，竖直向下，所以在没有受到风力的作用时，帆板是竖直的，当受到一个水平的风力的时候，重力和风力合成一个斜向下的力使帆板移动，与竖直方向有一个夹角，当连杆对帆板的拉力等于重力与风力的合力时，帆板可以保持平衡，即理论上的静止，形成一个角度。我们就是利用这一原理通过控制锋利的大小来实现帆板转动或者保留的角度。 图2.11 受力情况示意图 2.1.2 帆板的受力分析 图2.12 受力分析 当风扇打开时，产生风力F，它与重力G同时作用在翻版上，使帆板与竖直方向角度为的夹角，且 (1) 由此可以通过控制F的大小来控制角的大小。当角形成后，帆板的受风面积S也会随之改变 （2） 且已知 （3） 综公式（1）（2）（3）所述， （4） 有上述公式可看出S与G都是已知的定量，通过对K的控制就能改变的大小，从而完成系统的要求实现功能。 2.2倾角传感器的计算 2.2.1 2.2.2 倾角传感器的计算 当传感器处于水平位置时，如