冯 笑，牛小伟

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 450052)



基于STC125A60S2的风板自动控制装置设计

冯 笑，牛小伟

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 450052)

提出了一种以单片机STC12C5A60S2为核心的风板自动控制装置设计方案，主要包括主控模块、角度测量模块、电机工作模块、电源模块等四部分.系统以LCD1602为液晶显示器，通过按键设定风板位置角度；采用WDD35D-4精密电阻式角度传感器实时检测角度变化；应用PID算法改变PWM“占空比”，进而通过调节风扇风力大小来实现对风板转角的控制.风板控制装置具有设计合理、简单、误差小等特点，测试结果表明了系统工作的可靠性和稳定性.

PWM;PID;直流风机;自动控制;角位移传感器

0 引言

2015年全国大学生电子设计竞赛试题I组题目是风板的控制装置设计与制作，要求通过控制风机的风量来控制风板完成规定动作要求.规定动作要求： 1)预置风板控制角度(控制角度在45°～135°之间设定).由起点开始启动装置，控制风板到达预置角度，过渡过程时间不大于10 s,控制角度误差不大于5°，在预置角度上稳定停留时间为5 s,误差不大于1 s，动作完成后风板平稳停留在终点位置上，负载0.01 kg重物后再重复此动作要求.2)在45°～135°范围内预置两个角度值.由终点开始启动装置，在10 s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5 s,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；负载0.01 kg重物后再重复此动作要求. 3)显示风板设置的控制角度.风板从一个状态变到另一个状态时应有明显的声光提示[1]32-33.

1 系统总体方案

直流电机选择脉冲宽度调制(PWM)调速，利用微处理器的PWM输出控制风机转速、调节风力大小[2]88-90.如图1所示，该系统的总体方案主要包括主控模块、角度测量模块、电机工作模块、电源模块等四部分，其中主控模块有单片机、键盘输入、LCD液晶显示及声光报警等组成.通过按键设定风板的初始位置，由单片机调整 PWM 脉冲调宽信号，实现电机转速控制，并由单片机把设定角度显示在LCD 液晶显示屏上.安装在风板上的角度传感器实时检测角度值，并实时显示到液晶显示屏上.同时利用PID控制算法对PWM调速，使风板迅速、稳定旋转到设定的角度，完成规定动作要求.

图1 系统总体方案

2 硬件设计

2.1 主控模块

系统以STC12C5A60S2单片机为控制核心，STC12C5A60S2是宏晶科技生产的单时钟/机器周期的单片机，是高速、低功耗、强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍.内部集成MAX810 专用复位电路、2路PWM、8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合[3]133-134.

角度测量采用WDD35D-4精密电阻式角度传感器，WDD35D-4角度传感器采用硬质铝合金材料制作外壳，采用导电塑料作为电阻材料，主要应用于电子、集成电路包装、电磁波屏蔽等领域.WDD35D-4角度传感器的功能是把一个机械角位移转换成电气信号，并且该信号与机械运动成正比.当在电刷和修正过的导电塑料阻轨之间测量时，信号电压是电压分配器的主要部分，并且与阻轨上的电刷位置成正比[4]84-86.

显示部分采用LCD1602液晶显示器，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，能够同时显示16×02即32个字符.声光报警部分采用发光二极管与蜂鸣器分别进行发光和声音提示.如图2所示主控模块硬件电路图.

图2 主控模块硬件电路图

2.2 风机工作模块

系统左右各有一个相同直流风机，风机驱动采用L298N桥式电机驱动芯片， L298N工作电压高、输出电流较大，内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机，具有信号指示、转速可调、抗干扰能力强、过电压和过电流保护、PWM脉宽平滑调速等优点，而且能够使用TTL电平进行控制.为保护控制器使系统工作稳定，在STC12C5A60S2单片机与L298N驱动之间增加光耦隔离电路.

2.3 电源模块

电源模块采用稳压电源供电，220 V交流市电经过电源变压器降压、桥式整流电路整流、电容滤波以及稳压电路稳压输出12 V和5 V两路电压.直流风机供电电压为12 V，单片机所需电压为5 V左右.

3 软件设计

系统软件设计采用模块化设计方式，如图3 (a)所示系统软件的总体流程图，其中功能1为预置风板单个控制角度，功能2为预置两个控制角度.如图3 (b)中断服务程序，用定时器中断方式采集角度信息，通过PID算法控制单片机输出的PWM“占空比”方法实现风板控制功能.

PID调节器具有原理简单，适用面广，参数选定比较简单等优点，成为温控系统、角度控制系统等常用的调节算法[5]59，[6]112.相比较于位置式PID控制算法，增量PID控制算法具有诸多优点.因此，本文采用数字增量式PID控制算法[7]63-64.增量PID算法公式如下所示：

(1)

式(1)中：KP为比例系数；KI为积分系数；KD为微分系数.

最终可简化为：

(2)

式中：

电机转速是由单片机PWM输出控制，而电压的大小由PWM调节，因此，只要每隔一个采样周期通过改变PWM占空比的方法改变电机电枢上的电压，实现PID调节控制.基于PID的反馈控制策略需要根据系统动力特性和响应要求，适当调节PID参数，以确定最优参数值[8]89-121.

(a) 总体流程图

(b)中断服务程序

4 装置制作及测试

4.1 风板控制装置制作

装置制作实物如图4所示.

图4 装置制作实物

风板控制装置包括滑道、直流风机(含底座)、支架、角度指示盘及角位移传感器.风板两边各一个直流风机，风板用碳素管固定于光滑轴承上，通过旋转轴实现同步旋转；轴承一端安装有WDD35D-4精密电阻式角度传感器，风板左边极限角度为30°，右边极限角度为150°.为保证风力均匀流向风板，2个直流风机出风口处各做了一个斜坡作为风道.系统测试前先进行系统调试，使得单片机通过角度传感器采集并且实现显示角度即风板当前的角度值，达到与角度盘中指示值一一对应关系的要求.

4.2 风板控制装置测试

系统调试成功后进行风板控制装置的测试，完成规定动作要求.预置风板单个控制角度(45°～135°)，由起点开始启动装置控制风板到达预置角度，过渡时间不大于10 s,角度误差不大于5°，稳定停留时间为5 s,误差不大于1 s，分别测试风板空载和负重0.01 kg砝码的动作要求，测试结果如表1所示.结果显示均能够满足测试要求.

表1 预置单个控制角度的测试结果

预置两个控制角度值(45°～135°范围内)，由终点开始启动装置，并且在两个角度间作3次周期性摆动，摆动周期不大于5 s,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，风板空载和负重0.01 kg砝码的测试结果如表2所示，结果显示均能够满足测试要求.

表2 预置两个控制角度的测试结果

通过以上测试可知风板控制系统满足了系统设计的基本控制要求和发挥部分的设计要求，但仍然存在较小误差，主要干扰因素来自于两直流风机的微小差异、电机转速的非线性、电源的电磁干扰以及传感器与横轴同步误差等.

5 结语

基于单片机的风板控制装置设计以STC12C5A60S2单片机为控制核心，通过PWM调压和PID转速调节方法来控制风机转速，实现了风板准确旋转到设定角度的自动控制.系统设计简单，响应速度快，测量误差较小，具有工作的可靠性和稳定性等特点.该风板控制系统可以应用于角度测量及控制等技术领域.

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[责任编辑 梧桐雨]

2016-06-10

冯 笑(1987- )，男，河南南阳人，郑州铁路职业技术学院助教，硕士，主要电子与通信技术研究。

1671-8127(2016)05-0078-04

TP273.5；TP368.4

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