第1页 / 共7页
第2页 / 共7页
第3页 / 共7页
第4页 / 共7页
第5页 / 共7页
第6页 / 共7页
第7页 / 共7页
帆板控制系统设计报告.doc
1.帆板控制系统系统总体方案设计
1.1风扇模块的论证与选择
1.3帆板模块的论证与选择
1.4转轴模块的论证与选择
1.5信号检测模块的论证与选择
1.6 电机控制模块的论证与选择
2系统理论分析与计算
2.1风扇控制电路的分析与计算
2.2 角度测量原理的分析与计算
2.2 .1角度测量原理的分析
2.2.2 角度测量的计算
3电路与程序设计
3.1电路设计
3. 1.1风扇控制电路设计
3.1.2控制算法的分析与计算
3.1.3总体电路图
3.2程序设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
3.2.2程序流程图
4.测试方案与测试结果
4.1测试仪器
测试使用的仪器设备如表1所示。
4.2测试数据
4.2.1测试数据
4.2.2测试结果分析
目
录
1 帆板控制系统系统总体方案设计........................................................................................ 4
1.1 风扇聚风模块的论证与选择 .............................................................................................4
1.2 聚风模块的的论证与选择.................................................................................................4
1.3 按键显示模块的论证与选择 .............................................................................................5
1.4 帆板模块的论证与选择 .....................................................................................................5
1.5 转轴模块的论证与选择 .....................................................................................................6
1.6 信号检测模块的论证与选择 .............................................................................................6
1.7 电机控制模块的论证与选择 .............................................................................................6
2 系统理论分析与计算............................................................................................................... 1
2.1 风扇控制电路的分析与计算 .............................................................................................3
2.1.1 .................................................................................................................................. 4
2.2 角度测量原理的分析与计算 .............................................................................................7
2.2.1 角度测量原理的原理..............................................................................................7
2.2.2 角度测量的计算......................................................................................................8
2.3 控制算法的分析与计算 .....................................................................................................7
2.3.1 ......................................................................................................................................
2.3.2 ......................................................................................................................................
2.3.3 ......................................................................................................................................
3 电路与程序设计...........................................................................................................................
3.1 电路的设计 ............................................................................................................................
3.1.1 电源.............................................................................................................................
3.1.2 风扇控制电路设计计算.............................................................................................
3.1.3 总体电路图.................................................................................................................
3.2 程序的设计 ............................................................................................................................
3.2.1 程序功能描述与设计思路.........................................................................................
3.2.2 程序流程图.................................................................................................................
4 测试方案与测试结果.................................................................................................................
4.1 测试方案和仪器 ....................................................................................................................
4.1.1 测试仪器 .........................................................................................................................
4.1.2 测试方案 ........................................................................................................................
4.1.2 硬件测试 ....................................................................................................................
4.1.2 软件测试 ....................................................................................................................
4.1.3 联机测试 ....................................................................................................................
4.2 测试结果及分析...................................................................................................................
4.2.1 测试结果(数据)..........................................................................................................
4.2.2 测试分析与结论.........................................................................................................
附录 1：电路原理图.........................................................................................................................
附录 2：源程序.................................................................................................................................
1.帆板控制系统系统总体方案设计
本系统主要由按键显示模块、风扇模块、聚风装置模块、帆板模块、电机
模块、转轴模块、信号检测模块组成，采用 STC12C5A60S2 单片机做为系统控
制的芯片，系统框图如图 1 所示。下面分别论证这几个模块的选择。
图 1
帆板控制系统总体框架图
1.1 风扇模块的论证与选择
方案一：选用鼓风机风扇，输出功率大，出风汇聚成直线型，叶片多，风力
大，输出稳定，可以吹起较重的帆板。
方案二：选用直流轴流风扇。输出功率较小，出风分散，帆板转动角度小，
波动较大。可以辅助聚风装置来消除出风分散现象。聚风装置采用有机玻璃，放
在风扇两侧及上方做挡板，在帆板下面加一块半径和宽度大于帆板的 90°扇形
曲面，用盖板密封进风口到帆板转轴处的顶部，形成一个风力往上升的系统，这
样帆板承受平稳的升力，转动角度范围加大，能达到 90°以上。。
综合经过测试并结合题意分析，方案一中的风机虽优点明显，但不属于轴流
风机，不符合题意，故否定。因而采用方案二。
1.2 按键显示模块的论证与选择
方案一：采用数码管显示，按键设定，程序设计较为简单，缺点是显示信息
量有限，不够直观。
方案二：采用 8*8 点阵，按键设定，由于显示信息量大，需要多块点阵结合，
成本大，且硬件电路设计和软件编程都较为复杂。
方案三：采用液晶屏显示，按键设定。采用内置汉字库的液晶模块，显示信
息量大，且人机交互友好，功耗低。
综合以上三种方案，我们选择方案三。设计的按键显示模块还具有声光报警
功能，在帆板转角达到设定值时进行声光报警提示。该模块电路图如图 2 所示。
1
图 2 按键液晶显示电路图
1.3 帆板模块的论证与选择
方案一：选用有机玻璃塑料薄片做为帆板，重量适中，在系统具有聚风装置
后，这种材料的帆板能达到要求角度，而且能稳定维持在设定读数。
方案二：选用一定厚度的硬纸板做为帆板，能转到适合角度，但由于重量轻，
在达到要求转角好哦偶不够稳定，且在风扇停止后不容易归零。
基于系统采用了聚风装置，解决了风力小，不集中的问题，方案一满足要
求，因此采用方案一。
1.4 转轴模块的论证与选择
方案一：采用小车轮轴做为转轴，粗细合适，光滑易转动，但长度有限，不
好固定，帆板容易碰到支撑杆。
方案二：采用铝制空心圆轴做为转轴，两端增加轴承，转动更灵活，其中一
端与角度传感器相连，帆板转动时可以轻松带动传感器转轴一起转动，而且在校
准零度的时候，帆板很稳定。
综合比较上述方案，我们选择方案二。
1.5 信号检测模块的论证与选择
方案一：选用线性电位器式角度传感器，信号经单片机 A/D 转换后处理。
电位器式传感器的结构简单、精度较高、输出信号大、性能稳定。旋转灵敏，角
度测算精确，但电位器有阻力，风扇风力不够时较难通过转轴带动电位器转到要
求角度。
方案二：采用 MMA7361 加速度倾角传感器，输出电压信号经 A/D 转换后送
单片机处理。该传感器体积小，质量轻，低功耗，灵敏度高，但是需要固定在帆
板上，供电系统易对帆板自由转动造成影响。
经过测试，加速度倾角传感器装在质量轻的帆板上的角度采样不好控制，测
2
出结果变化范围较大，不够精确。电位器式角度传感器，具有严格的线性关系，
测角精度高，输出信号稳定。因此基于高精度和稳定性的选择，采用方案一。
1.6 电机控制模块的论证与选择
方案一：通过单片机控制继电器的通断来控制电机的转动，控制容易，电路
简单，但不能实现电机调速。
方案二：通过单片机输出 PWM 信号来控制电机驱动芯片 L298 来对电机控制，
单片机调节 PWM 信号来控制 L298 的输出电压，实现电机转动控制及调速功能。
综合比较采用方案二，系统控制较为容易实现闭环控制，快速实现电机转
速调节。
2 系统理论分析与计算
2.1 风扇控制电路的分析与计算
风扇控制电路通过单片机控制 L298 来驱动小型直流轴流风扇来实现。单片
机产生 PWM 控制信号来控制 L298 的输出电压，L298 的输出电压大小决定了风
扇的转速。风扇电机额定电压 12V，额定电流 375mA，在 PWM100%输出时，
L298 完全可以满足输出要求。风扇控制电路原理图如图 3 所示。
2.2 角度测量原理的分析与计算
图 3 风扇控制电路原理图
2.2 .1 角度测量原理的分析
角度测量原理利用电位器式线性角度传感器阻值变化输出相应电压，该传感
器输入基准电压，在输出端输出 0～基准电压的电压信号，经过 A/D 采样转换后
输入单片机进行处理，通过一定的算法换算成角度在液晶屏上显示。
2.2.2 角度测量的计算
本设计中采用的角度传感器有 30 度的死区，因此角度传感器旋转一周可以利用区间为
330 度；A/D 转换采用单片机内置 10 位 A/D，假设转过的角度为θ，A/D 采样值为Χ，则角
度计算公式如公式 1 所示：
θ=330*Χ/1024
(1)
3
I
S
E
N
A
1
I
S
E
N
B
1
5
E
N
A
6
E
N
B
1
1
I
N
1
5
I
N
2
7
I
N
3
1
0
I
N
4
1
2
O
U
T
1
2
O
U
T
2
3
O
U
T
3
1
3
O
U
T
4
1
4
V
S
9
G
N
D
8
V
S
S
4
L
1
l
m
2
9
8
G
N
D
1
2
V
I
N
E
N
A
G
N
D
G
N
D
5
V
D
1
4
0
0
7
D
2
4
0
0
7
D
3
4
0
0
7
D
4
4
0
0
7
D
5
4
0
0
7
D
6
4
0
0
7
D
7
4
0
0
7
D
8
4
0
0
7
O
U
T
1
O
U
T
2
O
U
T
3
O
U
T
4
3 电路与程序设计
3.1 电路设计
3. 1.1 风扇控制电路设计
控制电路通过按键设定帆板转角，单片机通过 A/D 转换器从角度传感器检
测到帆板的实时角度，并与设定角度进行比价，根据比较结果输出 PWM 控制信
号控制风扇电机的转速，即控制风机的出风量来控制帆板的角度。
3.1.2 控制算法的分析与计算
该控制算法主要采用闭环控制，通过角度传感器测量的角度θ与设定角度θ0 进行比较，
单片机根据差值的大小来决定输出 PWM 的值，PWM 值的变化改变风扇电机转速，进而改变帆
板转角θ。假设帆板设定转角为θ0，单片机 PWM 输出为 pwm，则单片机 PWM 输出的计算公式
如公式 2 所示：
pwm
pwm
0
0
%100
(当 pwm>=100%，pwm=100%）
(2)
假设电机转速 r 与单片机输出 PWM 信号间的常系数为 C，则电机转速与 PWM 间的关
系如公式 3 所示：
*
Cr
pwm
（3）
公式 1 与公式 2、公式 3 构成了闭环的控制系统，控制简图如图 4 所示。
图 4 系统闭环控制算法简图
3.1.3 总体电路图
系统电路图参看附件 1.
3.2 程序设计
3.2.1 程序功能描述与设计思路
本电子设计程序的功能有数字显示帆板转角、转角校零、帆板角度设置等功
能，系统具备 PWM 自动调节功能，能够控制风机，使帆板转角快速达到设定值。
设计思路：帆板固定轴两端采用轴承与支架进行固定，固定轴的一端与角度
传感器进行联动，帆板转过多少角度，将带动传感器转过多少角度；角度传感器
的输出值通过 AD 转换送入单片机进行处理，并与设定值比较，根据比较结果单
片机产生 PWM 输出控制信号，控制风机的转速，以此来控制风速，达到帆板运
4
动到设定角度值。
3.2.2 程序流程图
主控制程序的软件流程图如图 5 所示：
4.测试方案与测试结果
图 5 主控制程序软件流程图
采用先分别调试各个单元模块，调试后再进行整机调试的方法，提高调试
效率。
4.1 测试仪器
测试使用的仪器设备如表 1 所示。
序号
1
2
3
4
5
表 1 测试仪器
名称、型号、规格
量角器
数字万用表（VC9806+）
双路稳压电源(GPC30600)
台式电脑
GDS-1062 型数字示波器
数量
一把
一台
一台
一台
一台
5
4.2 测试数据
4.2.1 测试数据
表 2 间距 d=10cm 时测量值及其误差和调节时间
设置角度（度）
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
实际角度(度)
10
14
21
25
29
34
41
47
50
56
60
误差(度)
0
-1
1
0
1
1
-1
-2
0
-1
0
使用时间（S）
4.6
3.8
3.6
4.4
4.9
4.7
4.1
3.6
3.8
4.8
4.1
表 3 间距 d=15cm 时测量值及其误差和调节时间
实际角度(度)
误差(度)
使用时间（S）
设置角度（度）
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
9
13
21
24
30
35
41
45
52
56
61
1
-2
1
1
0
0
1
0
2
1
1
3.7
4.2
2.9
3.4
4.1
4.4
3.8
3.6
4.3
3.2
4.8
4.2.2 测试结果分析
1. 根据测试结果得到实际控制达到的角度与设定角度的误差绝对值在 2 度范围内，达到
设计要求。
2. 测试结果中分析，控制系统完成控制，角度稳定到设定值附件所用时间在 3.2S～4.9S
范围之内，达到设计要求。
3.帆板到达稳定角度之前会出现几次震荡，是由于风机产生的气流在帆板周围瞬间作用
力产生的，经过几秒震荡后即可达到稳定状态。
4.电位器式角度传感器由于自身的精度及机械装置的局限，测量精度数量级为度，如果
想得到更精确的数量级，可采用高精度传感器，并改进机械装置。
6
相关推荐
2023年江西萍乡中考道德与法治真题及答案.doc
2012年重庆南川中考生物真题及答案.doc
2013年江西师范大学地理学综合及文艺理论基础考研真题.doc
2020年四川甘孜小升初语文真题及答案I卷.doc
2020年注册岩土工程师专业基础考试真题及答案.doc
2023-2024学年福建省厦门市九年级上学期数学月考试题及答案.doc
2021-2022学年辽宁省沈阳市大东区九年级上学期语文期末试题及答案.doc
2022-2023学年北京东城区初三第一学期物理期末试卷及答案.doc
2018上半年江西教师资格初中地理学科知识与教学能力真题及答案.doc
2012年河北国家公务员申论考试真题及答案-省级.doc
2020-2021学年江苏省扬州市江都区邵樊片九年级上学期数学第一次质量检测试题及答案.doc
2022下半年黑龙江教师资格证中学综合素质真题及答案.doc
