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电子设计大赛论文模板DOC
摘要：
本设计为一风力摆控制系统，以AT89C52单片机为控制核心，用PWM的方式来控制风力大小，通过对四个直流风机风速的调整来控制风力摆摆动方向和摆动幅度，通过角度传感器对摆杆角度进行测量，测量结果送回单片机用来控制风力的大小和方向，由此构成了一个闭环控制系统。
通过按键可以控制风力大小和方向，LED显示风力摆运动达到要求。
支架是纯手工制作而成，造型美观、耐用、环保。
关键词：
比例调节、角度传感器、万向节、PWM、LED、AT89C52；
Abstract：
Thisdesignforawindpendulumcontrolsystem,withtheAT89C52singlechipmicrocomputerasthecore,withPWMtocontrolthesizeofwind,throughtothefourdcfanspeedadjustmenttocontrolwinddirectionandswingingpendulumswingingamplitude,theAngleofswingingrodismeasuredbyAnglesensor,themeasuredresultsbacktothesinglechipmicrocomputerisusedtocontrolthesizeanddirectionofwind,thusformaclosed-loopcontrolsystemThroughthekeyscancontrolthesizeanddirectionofwind,windpendulummovementLEDdisplayachievedstentispurehandmade,aestheticallypleasingDurableandenvironmentalprotection
Keywords：
Anglesensor;Cardan;PWM;LED;AT89C52；
目录
一、任务及要求
1、任务……………………………………………………………………………2
2、基本要求………………………………………………………………………3
3、发挥部分………………………………………………………………………4
二、方案的设计与论证
1、机械部分方案论证……………………………………………………………4
2、角度测试方案论证……………………………………………………………5
3、控制方案的比较……………………………………………………………5
4、风速调节方案的比较…………………………………………………………5
5、风扇驱动芯片的比较…………………………………………………………6
6、显示方案的比较………………………………………………………………6
7、系统结构框图的设计…………………………………………………………7
3、理论分析计算
1、直流风机相关计算……………………………………………………………7
2、摆杆相关计算…………………………………………………………………7
3、角度相关计算…………………………………………………………………7
四、系统设计
1、电源模块………………………………………………………………………9
2、单片机最小系统电路的实现…………………………………………………9
3、风机控制电路的实现…………………………………………………………10
4、显示器方案的实现……………………………………………………………11
5、按键及数码管模块……………………………………………………………12
6、系统硬件实物图………………………………………………………………13
五、系统测试
1、测试仪器………………………………………………………………………16
2、测试方法及结果………………………………………………………………16
3、测试结果分析…………………………………………………………………16
六、大赛心得…………………………………………………………………………16
附录A………………………………………………………………………………17
附录B………………………………………………………………………………23
参考文献……………………………………………………………………………24
一任务及要求
1.任务
一长约60cm~70cm的细管上端用万向节固定在支架上，下方悬挂一组（2~4只）直流风机，构成一风力摆，如图所示。
风力摆上安装一向下的激光笔，静止时，激光笔的下端距地面不超过20cm，。
设计一测控系统，控制驱动各风机使风力摆按照一定规律运动，激光笔在地面画出要求的轨迹。
2、基本要求
（1）.从静止开始，15s内控制风力摆做类似自由摆运动，使激光笔稳定地在地面画出一条长度不短于50cm的直线段，其线性度偏差不大于+2.5cm，并且具有较好的重复性。
（2）.从静止开始，15s内完成幅度可控的摆动，画出长度在30~60cm间可设置，长度偏差不大于+2.5的直线段，并且具有较好的重复性。
（3）.可设定摆动方向，风力摆从静止开始，15s内按照设置的方向（角度）摆动，画出不短于20cm的直线段；
（4）.将风力摆拉起一定角度（30~45）放开，5s内使风力摆制动达到静止状态。
3.发挥部分
（1）.以风力摆静止时激光笔的光点为圆心，驱动风力摆用激光笔在地面画圆，30s内需重复3次；圆半径可在15~35cm范围内设置，激光笔画出的轨迹落在指定半径+2.5cm的圆环内；
（2）.在发挥部分
（1）后继续作圆周运动，在距离风力摆1~2m距离内用一台50~60W台扇在水平方向吹风力摆，台风吹5s后停止，风力摆能够在5s内恢复发挥部分
（1）规定的圆周运动，激光笔画出符合要求的轨迹；
（3）其他。
二方案论证
1、机械部分方案比较与论证
方案一：
自作木质风力摆机械摆架，材料简单成本低，但易松动不美观、更不易封装运送、可靠性低。
方案二：
焊制金属风力摆摆架，自作工艺简单、成本一般，美观大方，易封装可靠性高
综合考虑，方案二优于方案一，因此，选择方案二。
2、角度测试方案的比较与论证
方案一：
用PWM波直接驱动风机一次性摆动运动，使其运动满足题目要求，该方案对风机功率要求较高，小功率风机难以实现。
方案二：
采用程序控制，间断连续式驱动风机，即在单边最高位置处采用推腕驱动，类似“荡秋千”运动，多次摆动后逐步增大摆动距离，最终满足题目要求。
由于已有风机功率一般，综合各方因素经过两个方案的比较，方案二更合适，因此，我们选用方案二。
3、控制方案的比较：
方案一：
采用陀螺仪角速度传感器程序稍复杂，转换通道多，
此方案缺点在于陀螺仪精度以及成本高。
方案二：
采用程序控制，硬件简单，控制方便。
缺点需要多次调试，来总结风力摆运动特性，通过多次观察来逐步修改程序，使其满足题目要求，本设计选用方案二。
4、风速调节方案的比较:
方案一：
采用PID来控制风速。
风速调节稳定，风力大小均匀，但电路控制复杂，难以实现。
方案二：
通过软件控制风机开关时刻控制给风强度。
系统低速运行平稳，调节范围较宽，快速响应性好，动态抗干扰性强。
因此选用方案二。
5、风扇驱动芯片的比较
方案一：
选用中功率三极管TIP32。
额定电流1.5A，饱和压降0.2V，价格低。
缺点是功率损耗较大。
方案二：
选用场效应管IRF540。
导通压降非常低，额定电流28A，相比于三级管，更适合于开关电路，且不易受温度的影响。
方案三：
选用L298N，恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N，可以方便的驱动两个直流电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。
通过比较可以看出，方案三明显优于方案一、二，更适合设计中大功率风扇。
因此，选用L298N作为直流风机的驱动芯片。
6、显示器方案的比较：
方案一：
扬声器发提示风力摆达到运动要求，效果明显，成本低，控制简单。
扬声器可单独供电，也可以结合主控芯片一起供电，单独供电时需要另外提供电池，浪费不必要的资源，因此选择后者。
方案二：
采用LCM1602液晶显示屏，可显示两行32为数据，显示简单。
成本高。
考虑到本题的必要性，方案一更合适。
7、结构框图的设计
根据以上分析及题目要求，设计任务主要完成对四组风扇风力大小，以及风向的精确调整，并对控制过程中的相关变量进行定量控制。
为完成相应功能，我们设计了如下结构框图。
3、理论分析与计算
1、直流风机相关计算
轴功率：
叶片数：
7
重量：
0.05kg/个
总重量：
2.摆杆相关计算
摆杆长度：
70cm
摆杆离地：
15cm
3.角度相关计算
（1）水平摆动20cm摆杆与竖直方向夹角:
（2）水平摆动30cm摆杆与竖直方向夹角：
（3）水平摆动40cm摆杆与竖直方向夹角：
（4）水平摆动50cm摆杆与竖直方向夹角：
四、系统设计（电路的硬件设计与软件设计）
1、电源模块
图示：
整流桥整流7805转+5伏输出
2、单片机最小系统电路的实现
单片机最小系统为整个控制电路的核心部分，它主要完成了对信号的分析与处理。
电路如下图。
3、风机控制电路的实现
此电路采用L298N作为驱动芯片，风扇采用12V供电，单片机I/O可直接控制L298N引脚，此电路具有很好的灵活性，和可控的驱动功率。
4、显示部分实现
（1）划线部分按照题目要求采用如图激光笔
（2）提示部分采用常规LED
5、
按键选择模块
图例：
采用普通矩阵键盘实现按键选择风力摆摆动距离的选择
6、
数码管显示模块
图例：
采用两位数码管实现风力摆摆动距离的显示
7、系统硬件设计
（1）底座固定
（2）万向节安装
（3）风机安放
（4）、单片机系统实物图
（5）、电源模块实物图
五、系统测试
1、测试仪器
量角器、刻度尺（精度1mm）、秒表（精度0.01s）
螺丝刀、图纸（面积0.25平方米）、剪刀，胶带，计算器等
2、测试方法及结果
（1）调节风机工作时间间隔，观察摆杆的角度并记录。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
风机工作时刻
0.6
0.7
0.8
0.9
0.6
0.7
0.8
0.8
0.7
0.8
0.7
0.8
0.8
0.8
摆杆
角度
15
19
23
27
31
35
39
43
47
51
55
59
63
67
（3、测试结果分析
根据单摆周期计算原理，可以看出只要控制风机工作时刻在单摆摆角最大时刻处，就可以逐渐增大风力摆摆角，如果控制风机工作时刻合理恰当，就可以控制它的摆角在任意大小，进而实现对激光笔画线距离长短的控制；本控制系统能够快速、准确地达到设定要求值。
已经实现的项目均满足题目所需，完全满足误差要求。
还有，到达任意距离的误差均在2.5cm之内，也满足了时间方面的要求；发挥部分未实现的项目也基本满足要求（误差稍微偏大）由此可知，本系统是一个性能比较完善和优越的风力摆控制系统。
六、大赛心得
经过这几天的不懈奋战，终于顺利完成了题目的全部基本要求和部分发挥要求。
从一开始参赛题目的确定、轴流风机的功率问题以及电源驱动问题、控制精度问题等，三天四夜期间，我们遇到了诸多意想不到的难题，但是经过三个人努力，最终都一一得到了解决。
遇到难题时我们各抒己见，然后在讨论中不断摸索前行，回首参加电子设计大赛，这一路走来，我们收获了很多很多，个人能力也逐步在实践中得以提高，最后真诚感谢学校和各位老师为我们提供这样一个学习和锻炼的机会，让我们在一次一次失败之后，一步一步走向成功，由于时间有限，加之所学知识的限制，本次设计还有不少方面存在缺陷。
这些问题将在以后进一步予以研究和解决。
最后，在文章中出现的不足之处，希望得到老师们的包含和指点。
附录A
////////////////2015年全国大学生电子大赛B题程序///////////
////////////////风力摆控制系统（B题）////////////////////
////////////////2015年8月14日////////////////////////
附录B
总电路图
参考文献
[1]郭天51单片机C语言教程—入门、提高、开发、拓展全攻略.电子工业出版社
[2]肖看李群芳.单片机原理.接口及应用—嵌入式系统技术基础（第二版）.清华大学出版社
[3]谭浩强.C语言程序设计（第二版）.北京：
清华大学出版社2000
[4]高峰.单片微机应用系统设计及实用技术.北京：
电子工业出版社1998.
[5]阎石.数字电子技术基础（第四版）.北京高等教育出版社1998.
[6]石东海.单片机数据通信技术从入门到精通.西安：
西安电子科技大学出版2002
[7]网络资料.电子杂志、芯片资料、电子论文等
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