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2015年全国大学生电子设计竞赛策划方案.doc

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2015年全国大学生电子设计竞赛策划方案.doc

2015年全国大学生电子设计竞赛 1设计任务与要求 1.1设计任务 设计并制作一个风板控制装置。该装置能通过控制风量来控制风板完成规定动作,风板控制装置参考示意图见图1。 图1 风板控制装置参考示意图 1.2技术指标 (1) 预置风板控制角度(控制角度在45135之间设定)。由起点开始启动装置,控制风板达到预置角度,过渡过程中时间不大于10s,控制角度误差不小于5,在预置角度上的稳定停留时间为5s,误差不小于1s。动作完成后风板平稳停留在终点位置上; (2) 在45145范围内预置两个角度值(Φ1和Φ2)。由终点开始启动装置,在10s内控制风板到达第一个预置角度上;然后到达第二个预置角度,在两个预置角度之间做3次摆动,摆动周期不大于5s,摆动幅角误差不大于5,动作完成后风板平稳停留在起点位置上; (3) 显示风板设置的控制角度。风板从一个状态转变到另一个状态时应有明显的声光提示。 (4) 其他自主发挥功能。 (5) 设计报告。 1.3题目评析 根据设计要求,对题目评析如下 本题的重点 ① 设计合适的机械结构,选择适当的风机。 ② 传感器和转动轴灵敏度的选择。 ③ 编写合适的算法使风板停在预置角度。 本题的难点 ① 既要保证风板摆动稳定,又要保证不超时。 ② 减小角度误差。 ③ 来回摆动不稳定,难以精确控制角度。 2方案比较与选择 2.1 主控MCU选择 方案一采用ARM作为系统的核心控制芯片。ARM芯片,运算速度快,内存大,功耗低,功能强大,但是其成本高,操作指令复杂,用在该系统中还会使ARM大量资源闲置,无疑是大材小用了。 方案二采用STC公司生产的STC12C5A60S2单片机作为系统的核心控制芯片。STC12C5A60S2单片机具有很多优点速度快,是传统51单片机的812倍;功耗低、抗干扰性能强;指令代码完全兼容传统的8051,程序编写简单、价格低廉,缺点是不能再线调试,外部IO口不太丰富。 对比两个方案,综合考虑系统需要,方案二能满足系统控制要求。 2.2 角度测量选择 方案一角度测量采用专用角度传感器芯片,由单片机进行数据运算,通过晶体管驱动电机转动。但电路比较复杂,程序比较麻烦。 方案二角度测量采用旋转电位器,通过转动的阻值变化读取电位器的电阻值,送往AD进行数据运算,得到相应的角度。 对于以上两种方案,分析系统要求以及可供选择的现有元件,选取方案二。 2.3 电源选择 方案一采用线性直流稳压电源。线性稳压电源制作简单,输出稳定,但价格较高。 方案二采用开关直流稳压电源。开关电源功率大,效率高,性价比相对较高。 综合考虑,方案二可以满足系统要求。 2.4 单片机选择 方案一89C52是80C51增强型单片机版本,集成了时钟输出和向上或向下计数器等多种功能,适用于类似的马达控制,但其不能进行A/D转换,没有PID的计算功能,控制能力强,但精确度不高。 方案二STC12C5A60S2是STC最新的单片机,它是单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速、低功耗、超轻抗干扰的新一代8051单片机,其中AD转换达到10位精度ADC读书精确,而且还具有超强的PID运算,控制能力强,精确度高。 通过以上两种方案的比较,为了提高本系统的操作以及控制,选择方案二。 2.5 轴流风机选择 方案一用普通的散热风扇。风力小,风力流失大,很难达到系统要求。 方案二采用台达生产的PFC1212DE 12V 12038暴力扇,尺寸为12012038MM;电压DC12V;电流4.8A;风量252.85CFM;功率57.6W;转数7500RPM;其特点损耗小、效率高,调速性能好、控制简单,逆变器容量低。 对比方案,综合考虑,方案二满足系统要求。 2.6 机械结构选择 方案一采用塑料转动轴,风板使用KT板,便于控制,但风机风过大,会出现左右摇摆的现象。 方案二采用厚度为2mm PC耐力板,硬度强、结实、稳定,易于增加砝码。扩展发挥部分的题。 通过以上两种方案的比较,为了提高本系统的稳定以及控制,选取方案二。 3 系统设计 3.1系统总体设计 选择STC12C5A60S2作为主控MCU,通过独立按键来设定风板的预置角度,单片机通过旋转电位器采集角度信息,输出PWM信号来控制风机风量驱动风板到达预置角度,并通过声光报警提示和LCD12864液晶进行实时显示数据。系统硬件总体框图如2.1所示 图2.1电路总体设计框图 3.2 单元模块设计 3.2.1 风机驱动模块 风机的控制是由单片机输出的PWM波进行调速,通过三极管进行驱动风机,由两组驱动电路分别驱动左右两个风机。风机控制电路如图2.2所示 图 2.2 风扇控制电路 3.2.2 电源模块 电源模块用于为系统中各个部分提供稳定可靠的电压,电源电路是一个设计中最关键的部分,各个模块要想正常工作都需要提供合适的电源。相应的电源模块的原理设计如图2.3所示。 图2.3 电源模块电路 3.2.3键盘模块 按键控制模块与单片机的连接如图2.4所示,AD1-AD8连接单片机的I/O口P0。按键功能分布如下 l S1给定角度(); l S2给定角度(-); l S3功能切换; l S4 l S5启动; l S6预留1; 图2.4 按键输入部分电路图 3.2.4声光报警模块 声光报警模块由发光二极管和蜂鸣器组成。当传感器检测到金属物体并完成定位后,变会产生声光报警,声光报警电路如图2.5所示。 发光二极管的阴极连一电阻接到单片机的一个I/O口,阳极连接5V电源,未完成定位时,I/O口输出高电平,发光二极管处于灭状态;完成定位时,I/O口输出低电平,二极管发光。 蜂鸣器的一端连接5V电源,另一端连接三极管的集电极。三极管的基极连一电阻接到单片机的I/O口,集电极接地,晶体管用于给蜂鸣器提供足够大的电流。未完成定位时,I/O口输出低电平,晶体管未导通,蜂鸣器不响;完成定位时,I/O口输出高电平,晶体管导通,蜂鸣器响。 图2.5 声光报警电路 3.2.5 LCD显示模块 LCD-12864介绍 LCD-12864是一种图形点阵液晶显示模组。它用T6963C作为控制器,KS0086作为驱动的240列*128行的全点阵液晶显示。具有与INTER8080时序相适配的MPU接口功能,并有专门的指令集,可完成文本显示和图形显示的功能设置。 LCD12864特性 工作电压为5V10 显示内容240128点,可显示15个/行X8共120个1616点阵的中文字符 内部有固定字模库共128种(8X8)字符和2K字节的自定义字模容量。 共有13条操作指令 测量相关数据由旋转电位器检测返回单片机运算后并显示,其接口电路如图2.6所示。 图2.6 LCD-12864与单片机连接图 4系软件设计 图4.1 系统软件流程图 5系统测试 5.1测试所需仪器与用途 (1)测量所需仪器 秒表、游标卡尺、数字示波器、数字万用表 (2)仪器用途 秒表来记录测量时间是否满足要求,游标卡尺来测量转动轴与地板的距离,数字示波器来观测输出PWM波是否正常,数字万用表来检测硬件电路中的元器件是否存在虚焊或焊接不正确,以及检测电路各部分电压、电流值是否正确。 5.2测试方法和数据 5.2.1 测试方法 设定感应的起始位置,启动X、Y方向的步进电机,每隔10ms进行LDC-1000传感器感应值检测,传感器与金属物体位置变化由远及近的不同所引起的测量值的变化,分别对应不同的位置测量值进行观察并记录LCD显示数据并计算误差误差。经过多次的测量找到到达所测金属物体的检测范围,根据发送到步进电机的脉冲个数计算出金属物体的位置。 5.2.2 测试数据 情况一预置起始角度为45,终止角度为137,过渡时间10s。 测量次数 1 2 3 4 5 起始角度度 46 48 50 52 45 终止角度度 140 137 142 130 138 过渡时间s 8 11 12 9 7 表5.1 风板控制角度与时间测量值 情况二预置起始角度为45,终止角度为137,预置角度1为60,预置角度2为120, 过渡时间10s。 测量次数 1 2 3 4 5 预置角度1 56 58 62 60 59 预置角度2 118 120 121 119 125 过渡时间s 9 9 10 9 8 表5.2 风板控制角度与时间测量值 情况三加入10g重物,预置起始角度为47,终止角度为132,过渡时间15s。 测量次数 1 2 3 4 5 起始角度度 47 43 49 44 47 终止角度度 133 129 130 135 132 过渡时间s 13 15 15 13 11 表5.3 传感器测量4cm圆环的感应值 情况四加入10g重物,预置起始角度为47,终止角度为132,预置角度1为80,预置角度2为125,过渡时间15s。 测量次数 1 2 3 4 5 预置角度1 82 79 76 84 80 预置角度2 124 128 125 120 129 过渡时间s 14 15 16 12 14 综上所示, 风板控制角度与时间测量值的变化可知,对于风板的摆动角度来说,不加重物比加入重物更好的控制风板的来回摆动,精度相对于比较高。 风板运行检测程序测试结果 1、 不管风板在那边,系统启动后,都能使其到达预置角度。 2、风板每次都能到达预置角度,误差和时间都满足设计要求。 6总结 本设计以STC12C5A60S2单片机为核心部件,采用旋转电位器对风板角度进行测量,编写软件控制算法对系统进行优化,分模块实现赛题要求。在系统设计过程中,充分利用STC12C5A60S2单片机的优势功能,力求以方便灵活的软件编程简化复杂难调的硬件电路,满足系统设计要求。操作简单,使用方便,并很好的完成竞赛的要求。参赛期间队员团结合作,分工明确,充分发挥了团队力量,使竞赛圆满完成。 参考文献 [1] 何立民单片机应用系统设计,北京航空航天大学出版社,2004 [2] 吴金戌、沈庆阳、郭庭吉8051单片机实践与应用,清华大学出版社,2004 [3]郭天祥.新概念51单片机C语言教程.北京电子工业出版社 [4]张家生.电机原理与拖动基础[M].北京北京邮电大学出版社,2006. [5]马淑华,王凤文,张美金.单片机原理与接口技术[M].北京北京邮电大学出版社,2007. [6]顾德英,张健,马淑华.计算机控制技术[M]. 北京北京邮电大学出版社,2006. [7]秦刚,陈忠孝,陈超波计算机控制系统北京中国电力出版社,2013. [8]华成英,童诗白. 模拟电子技术基础[M]. 北京高等教育出版社,2008 13 附录Ⅰ 系统原理图 附录Ⅱ 控制部分实物图

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