馮 笑，牛小偉

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學院，河南 鄭州 450052)

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基于STC125A60S2的風板自動控制裝置設(shè)計

馮 笑，牛小偉

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學院，河南 鄭州 450052)

提出了一種以單片機STC12C5A60S2為核心的風板自動控制裝置設(shè)計方案，主要包括主控模塊、角度測量模塊、電機工作模塊、電源模塊等四部分.系統(tǒng)以LCD1602為液晶顯示器，通過按鍵設(shè)定風板位置角度；采用WDD35D-4精密電阻式角度傳感器實時檢測角度變化；應(yīng)用PID算法改變PWM“占空比”，進而通過調(diào)節(jié)風扇風力大小來實現(xiàn)對風板轉(zhuǎn)角的控制.風板控制裝置具有設(shè)計合理、簡單、誤差小等特點，測試結(jié)果表明了系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性.

PWM;PID;直流風機;自動控制;角位移傳感器

0 引言

2015年全國大學生電子設(shè)計競賽試題I組題目是風板的控制裝置設(shè)計與制作，要求通過控制風機的風量來控制風板完成規(guī)定動作要求.規(guī)定動作要求： 1)預置風板控制角度(控制角度在45°～135°之間設(shè)定).由起點開始啟動裝置，控制風板到達預置角度，過渡過程時間不大于10 s,控制角度誤差不大于5°，在預置角度上穩(wěn)定停留時間為5 s,誤差不大于1 s，動作完成后風板平穩(wěn)停留在終點位置上，負載0.01 kg重物后再重復此動作要求.2)在45°～135°范圍內(nèi)預置兩個角度值.由終點開始啟動裝置，在10 s內(nèi)控制風板到達第一個預置角度上，然后到達第二個預置角度，在兩個預置角度之間做3次擺動，擺動周期不大于5 s,擺動幅角誤差不大于5°，動作完成后風板平穩(wěn)停留在起點位置上；負載0.01 kg重物后再重復此動作要求. 3)顯示風板設(shè)置的控制角度.風板從一個狀態(tài)變到另一個狀態(tài)時應(yīng)有明顯的聲光提示[1]32-33.

1 系統(tǒng)總體方案

直流電機選擇脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)速，利用微處理器的PWM輸出控制風機轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)風力大小[2]88-90.如圖1所示，該系統(tǒng)的總體方案主要包括主控模塊、角度測量模塊、電機工作模塊、電源模塊等四部分，其中主控模塊有單片機、鍵盤輸入、LCD液晶顯示及聲光報警等組成.通過按鍵設(shè)定風板的初始位置，由單片機調(diào)整 PWM 脈沖調(diào)寬信號，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速控制，并由單片機把設(shè)定角度顯示在LCD 液晶顯示屏上.安裝在風板上的角度傳感器實時檢測角度值，并實時顯示到液晶顯示屏上.同時利用PID控制算法對PWM調(diào)速，使風板迅速、穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)到設(shè)定的角度，完成規(guī)定動作要求.

圖1 系統(tǒng)總體方案

2 硬件設(shè)計

2.1 主控模塊

系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機為控制核心，STC12C5A60S2是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期的單片機，是高速、低功耗、強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍.內(nèi)部集成MAX810 專用復位電路、2路PWM、8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對電機控制，強干擾場合[3]133-134.

角度測量采用WDD35D-4精密電阻式角度傳感器，WDD35D-4角度傳感器采用硬質(zhì)鋁合金材料制作外殼，采用導電塑料作為電阻材料，主要應(yīng)用于電子、集成電路包裝、電磁波屏蔽等領(lǐng)域.WDD35D-4角度傳感器的功能是把一個機械角位移轉(zhuǎn)換成電氣信號，并且該信號與機械運動成正比.當在電刷和修正過的導電塑料阻軌之間測量時，信號電壓是電壓分配器的主要部分，并且與阻軌上的電刷位置成正比[4]84-86.

顯示部分采用LCD1602液晶顯示器，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊，能夠同時顯示16×02即32個字符.聲光報警部分采用發(fā)光二極管與蜂鳴器分別進行發(fā)光和聲音提示.如圖2所示主控模塊硬件電路圖.

圖2 主控模塊硬件電路圖

2.2 風機工作模塊

系統(tǒng)左右各有一個相同直流風機，風機驅(qū)動采用L298N橋式電機驅(qū)動芯片， L298N工作電壓高、輸出電流較大，內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機，具有信號指示、轉(zhuǎn)速可調(diào)、抗干擾能力強、過電壓和過電流保護、PWM脈寬平滑調(diào)速等優(yōu)點，而且能夠使用TTL電平進行控制.為保護控制器使系統(tǒng)工作穩(wěn)定，在STC12C5A60S2單片機與L298N驅(qū)動之間增加光耦隔離電路.

2.3 電源模塊

電源模塊采用穩(wěn)壓電源供電，220 V交流市電經(jīng)過電源變壓器降壓、橋式整流電路整流、電容濾波以及穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓輸出12 V和5 V兩路電壓.直流風機供電電壓為12 V，單片機所需電壓為5 V左右.

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方式，如圖3 (a)所示系統(tǒng)軟件的總體流程圖，其中功能1為預置風板單個控制角度，功能2為預置兩個控制角度.如圖3 (b)中斷服務(wù)程序，用定時器中斷方式采集角度信息，通過PID算法控制單片機輸出的PWM“占空比”方法實現(xiàn)風板控制功能.

PID調(diào)節(jié)器具有原理簡單，適用面廣，參數(shù)選定比較簡單等優(yōu)點，成為溫控系統(tǒng)、角度控制系統(tǒng)等常用的調(diào)節(jié)算法[5]59，[6]112.相比較于位置式PID控制算法，增量PID控制算法具有諸多優(yōu)點.因此，本文采用數(shù)字增量式PID控制算法[7]63-64.增量PID算法公式如下所示：

(1)

式(1)中：KP為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)；KD為微分系數(shù).

最終可簡化為：

(2)

式中：

電機轉(zhuǎn)速是由單片機PWM輸出控制，而電壓的大小由PWM調(diào)節(jié)，因此，只要每隔一個采樣周期通過改變PWM占空比的方法改變電機電樞上的電壓，實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)控制.基于PID的反饋控制策略需要根據(jù)系統(tǒng)動力特性和響應(yīng)要求，適當調(diào)節(jié)PID參數(shù)，以確定最優(yōu)參數(shù)值[8]89-121.

(a) 總體流程圖

(b)中斷服務(wù)程序

4 裝置制作及測試

4.1 風板控制裝置制作

裝置制作實物如圖4所示.

圖4 裝置制作實物

風板控制裝置包括滑道、直流風機(含底座)、支架、角度指示盤及角位移傳感器.風板兩邊各一個直流風機，風板用碳素管固定于光滑軸承上，通過旋轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)；軸承一端安裝有WDD35D-4精密電阻式角度傳感器，風板左邊極限角度為30°，右邊極限角度為150°.為保證風力均勻流向風板，2個直流風機出風口處各做了一個斜坡作為風道.系統(tǒng)測試前先進行系統(tǒng)調(diào)試，使得單片機通過角度傳感器采集并且實現(xiàn)顯示角度即風板當前的角度值，達到與角度盤中指示值一一對應(yīng)關(guān)系的要求.

4.2 風板控制裝置測試

系統(tǒng)調(diào)試成功后進行風板控制裝置的測試，完成規(guī)定動作要求.預置風板單個控制角度(45°～135°)，由起點開始啟動裝置控制風板到達預置角度，過渡時間不大于10 s,角度誤差不大于5°，穩(wěn)定停留時間為5 s,誤差不大于1 s，分別測試風板空載和負重0.01 kg砝碼的動作要求，測試結(jié)果如表1所示.結(jié)果顯示均能夠滿足測試要求.

表1 預置單個控制角度的測試結(jié)果

預置兩個控制角度值(45°～135°范圍內(nèi))，由終點開始啟動裝置，并且在兩個角度間作3次周期性擺動，擺動周期不大于5 s,擺動幅角誤差不大于5°，動作完成后風板平穩(wěn)停留在起點位置上，風板空載和負重0.01 kg砝碼的測試結(jié)果如表2所示，結(jié)果顯示均能夠滿足測試要求.

表2 預置兩個控制角度的測試結(jié)果

通過以上測試可知風板控制系統(tǒng)滿足了系統(tǒng)設(shè)計的基本控制要求和發(fā)揮部分的設(shè)計要求，但仍然存在較小誤差，主要干擾因素來自于兩直流風機的微小差異、電機轉(zhuǎn)速的非線性、電源的電磁干擾以及傳感器與橫軸同步誤差等.

5 結(jié)語

基于單片機的風板控制裝置設(shè)計以STC12C5A60S2單片機為控制核心，通過PWM調(diào)壓和PID轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方法來控制風機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了風板準確旋轉(zhuǎn)到設(shè)定角度的自動控制.系統(tǒng)設(shè)計簡單，響應(yīng)速度快，測量誤差較小，具有工作的可靠性和穩(wěn)定性等特點.該風板控制系統(tǒng)可以應(yīng)用于角度測量及控制等技術(shù)領(lǐng)域.

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[責任編輯 梧桐雨]

2016-06-10

馮 笑(1987- )，男，河南南陽人，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學院助教，碩士，主要電子與通信技術(shù)研究。

1671-8127(2016)05-0078-04

TP273.5；TP368.4

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