陳素芹，賈冕茜，余紅英，陶玉貴

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 a.電氣工程學(xué)院；b.信息工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241006)

基于MKL26Z256VLL4的風(fēng)板控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳素芹a，賈冕茜a，余紅英a，陶玉貴b

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 a.電氣工程學(xué)院；b.信息工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241006)

以飛思卡爾MKL26Z256VLL4單片機(jī)為核心控制芯片，設(shè)計(jì)了風(fēng)板控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以低功耗的OLED模塊迷你12 864為顯示器，通過(guò)按鍵選擇工作模式及設(shè)定風(fēng)板位置角度；采用高精度角位移傳感器WDD35D-4實(shí)時(shí)檢測(cè)角度的變化，經(jīng)單片機(jī)12位AD采樣，應(yīng)用增量PID算法改變PWM的占空比調(diào)節(jié)2臺(tái)直流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速使風(fēng)板達(dá)到預(yù)置角度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)操作界面簡(jiǎn)明，風(fēng)板在空載及負(fù)重的情況下都能平穩(wěn)準(zhǔn)確地到達(dá)預(yù)設(shè)角度、并能在2個(gè)角度之間實(shí)現(xiàn)快速的周期性擺動(dòng)，且動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示風(fēng)板的位置角度，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

增量PID；MKL26Z256VLL4；PWM；角度傳感器

0 引言

隨著光電信息技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，為了提高能源的利用率、增強(qiáng)控制能力和穩(wěn)定性，角度測(cè)量和角度控制顯得尤為重要。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了基于MKL26Z256VLL4微處理器的風(fēng)板控制系統(tǒng)。系統(tǒng)從風(fēng)板的角度控制、停留時(shí)間、擺動(dòng)周期等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)按鍵選擇工作模式及設(shè)定風(fēng)板的位置角度，控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速使風(fēng)板旋轉(zhuǎn)到預(yù)置的角度[1]。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

風(fēng)板控制系統(tǒng)如圖1所示，風(fēng)板兩邊各一個(gè)直流風(fēng)機(jī)，風(fēng)板用碳素管固定于光滑軸承上，軸承一端安裝高精度角度傳感器，風(fēng)板左邊極限角度為300，右邊極限角度為1500；為保證風(fēng)力均勻流向風(fēng)板，2個(gè)直流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處各做了一個(gè)斜坡作為風(fēng)道。根據(jù)風(fēng)板需轉(zhuǎn)到的角度，單片機(jī)MKL26Z256VLL4內(nèi)部12位AD通過(guò)高精度角位移傳感器WDD35D-4采集當(dāng)前偏轉(zhuǎn)角度[2]，用分段增量PID算法閉環(huán)調(diào)節(jié)控制直流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM的占空比，實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)板的旋轉(zhuǎn)角度，保持風(fēng)板的平衡穩(wěn)定。

圖1 風(fēng)板控制系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)控制電路、角度測(cè)量、MKL26Z256VLL4微處理器、供電系統(tǒng)、按鍵、顯示及聲光提示電路，總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計(jì)方案

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]

系統(tǒng)選擇額定功率為28.8 W/12 V的直流風(fēng)機(jī)，要求穩(wěn)壓電源電路的輸出功率≥57.6 W，且系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)直流風(fēng)機(jī)需不斷調(diào)速，對(duì)電路的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率都有很高要求，因此系統(tǒng)選用12 V、100 W開(kāi)關(guān)電源為風(fēng)機(jī)供電；MKL26Z256VLL4單片機(jī)正常工作電壓為3.3 V，將12 V開(kāi)關(guān)電源經(jīng)L5972D降壓至3.3 V后為單片機(jī)供電，如圖3所示。

圖3 單片機(jī)電源電路

2.2 風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[4]

系統(tǒng)配有2個(gè)直流風(fēng)機(jī)，總功率為57.6 W，采用4片BTN7971B構(gòu)成H橋驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，每2片驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)。BTN7971B驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，PWM脈沖信號(hào)經(jīng)IN引腳輸入控制風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.3 隔離電路、顯示電路設(shè)計(jì)

電機(jī)調(diào)速過(guò)程中電流不斷發(fā)生變化，為避免影響單片機(jī)正常工作，系統(tǒng)增加74HC573隔離電路，電路如圖5所示。為了節(jié)能，系統(tǒng)采用驅(qū)動(dòng)電壓低、能耗低的1.3′OLED液晶顯示屏，該顯示屏響應(yīng)速度快、圖像穩(wěn)定、亮度高、色彩豐富、分辨率高，顯示電路如圖6所示。

圖5 74HC573隔離電路

圖6 OLED顯示電路

3 軟件設(shè)計(jì)[5]

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，首先進(jìn)行初始化操作，開(kāi)啟5 ms定時(shí)中斷；通過(guò)按鍵進(jìn)行模式設(shè)置，選擇工作模式；AD采集角位移傳感器的值，根據(jù)工作模式，在工作模式1或工作模式2的情況下，根據(jù)當(dāng)前AD所測(cè)角度與預(yù)置角度偏差，分段設(shè)置PID參數(shù)，應(yīng)用增量PID算法閉環(huán)調(diào)節(jié)控制兩電機(jī)的PWM占空比，使風(fēng)板快速響應(yīng)且迅速穩(wěn)定在預(yù)置角度，穩(wěn)定停留預(yù)置時(shí)間后，實(shí)現(xiàn)落板操作。根據(jù)實(shí)測(cè)，最后確定PID參數(shù)分為兩段設(shè)置如表1所示,為當(dāng)前角度與預(yù)置角度差值的絕對(duì)值[6]。

系統(tǒng)程序在IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境下用C語(yǔ)言編寫，軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

表1 分段PID系數(shù)

5 測(cè)試結(jié)果與分析

系統(tǒng)調(diào)試完成后，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定風(fēng)板的起點(diǎn)(30O）和終點(diǎn)（150O），對(duì)風(fēng)板控制系統(tǒng)不夾重物及負(fù)重2種情況進(jìn)行了性能測(cè)試。

5.1 測(cè)試結(jié)果

在測(cè)試開(kāi)始前首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了自檢操作，風(fēng)板由起點(diǎn)低速轉(zhuǎn)動(dòng)至終點(diǎn)再緩慢返回起點(diǎn)，確保電機(jī)及機(jī)械結(jié)構(gòu)均能正常工作，自檢結(jié)束，OLED上顯示“系統(tǒng)自檢完成”。自檢完成顯示如圖8所示。

預(yù)置風(fēng)板控制角度(控制角度在45O～135O之間設(shè)定)，由起點(diǎn)開(kāi)始啟動(dòng)裝置，設(shè)置穩(wěn)定停留時(shí)間5 s，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 從起點(diǎn)啟動(dòng)裝置測(cè)試結(jié)果

在450～1350范圍內(nèi)預(yù)置2個(gè)角度值（Φ1和Φ2），在2個(gè)角度間作4次周期性擺動(dòng)，由終點(diǎn)開(kāi)始啟動(dòng)裝置，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 從終點(diǎn)啟動(dòng)裝置測(cè)試結(jié)果

測(cè)試過(guò)程中OLED實(shí)時(shí)顯示如圖9所示。

圖8 自檢顯示

圖9 測(cè)試顯示

5.2 測(cè)試分析

從測(cè)試結(jié)果看，風(fēng)板控制系統(tǒng)在空載或負(fù)重2種情況下，都能快速到達(dá)預(yù)置角度并穩(wěn)定停留5 s，過(guò)渡時(shí)間不大于6.72 s，也可以在兩個(gè)預(yù)置角度間做周期性擺動(dòng)，擺動(dòng)次數(shù)可調(diào)，擺動(dòng)周期不大于4.92 s；實(shí)際到達(dá)角度與預(yù)置角度最大絕對(duì)誤差不大于2°，風(fēng)板到達(dá)預(yù)置角度時(shí)有聲光提示。

5 結(jié)語(yǔ)

采用32位飛思卡爾單片機(jī)MKL26Z256VLL4為控制芯片，設(shè)計(jì)了風(fēng)板控制系統(tǒng)，風(fēng)板角度轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為450～1350。系統(tǒng)通過(guò)高精度角位移傳感器WDD35D-4進(jìn)行角度信號(hào)采集，經(jīng)單片機(jī)12位AD采樣濾波，運(yùn)用增量PID算法調(diào)節(jié)控制電機(jī)的PWM占空比，驅(qū)動(dòng)兩直流風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)速，使風(fēng)板能到達(dá)任一預(yù)置角度并穩(wěn)定停留，也可在任意2個(gè)角度間周期擺動(dòng)，并在OLED顯示屏上實(shí)時(shí)顯示預(yù)置角度及AD采樣得到的角度。系統(tǒng)響應(yīng)速度快，控制精度高，具有自檢及聲光提示功能。該風(fēng)板控制系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于角度測(cè)量及控制等技術(shù)領(lǐng)域。

注釋及參考文獻(xiàn)：

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Wind Board Controlling System Design Based on MKL26Z256VLL4

CHEN Su-qina，JIA Mian-qiana，YU Hong-yinga，TAO Yu-guib
(a.Electrical Engineering College；b.Information Engineering College，Wuhu Institute of Technology，Wuhu，Anhui 241006)

It is based on core-controlling Freescale chip of MKL26Z256VLL4 MCU to design a wind board controlling system.With a low consumption of the OLED module mini 12864 for displayer,the system uses keys to set work modes and angles.It tests angle change at all times by applying high precision angular sensor WDD35D-4 and samples by12-bit MCU AD.With the compute of incremental PID control,it changes duty cycle of PWM to adjust the speed of two dc fans to accord with preinstalled angle.The test results prove that the operating system is simple and the angle of wind board can be displayed in a dynamic way.And the results also show that under the condition of the no-live load or bearing a load,the wind board can reach the preinstalled angle smoothly and accurately and it can swing rapidly and periodically between the two angles.So the system has met the design requirement.

incremental PID；MKL26Z256VLL4；PWM；anglesensor

TP212.9；TP273+.5

A

1673-1891（2015）04-0032-03

2015-09-28

安徽省高校省級(jí)教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項(xiàng)目（2012sjjd048）；安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2015A449）；蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目（Wzyzr201310）。

陳素芹（1983-），女，江蘇淮安人，講師，碩士，研究方向：電子與通信工程。