何其文

摘要

本文设计了一种风板控制装置，选用单片机STM32F103V8T6作为控制器，程序采用自适应PID控制算法。STM32F103V8T6通过对风板预置转角与实际转角的偏差进行PID运算，输出两路占空比互补的脉冲宽度调制信号（PWM），分别驱动两台风机，由此改变风板转动的角度，使风板转动角度与预置转角之间的偏差接近为零。

【关键词】STM32F103V8T6 自适应PID PWM

1 系统总体设计方案

本系统以单片机STM32F103V8T6为风板控制核心，程序采用自适应PID控制算法。风板预置角度由4*4矩阵式键盘设定，风板的实际转动角度由两路传感器采样并经程序处理后得到。STM32F103V8T6通过对风板预置转角与实际转角的偏差进行PID运算，输出两路占空比互补的脉冲宽度调制信号（PWM），分别驱动两台风机，由此改变风板转动的角度，使风板转动角度与预置转角之间的偏差接近为零。为精确测量风板实际转动角度，采用两路传感器电路，其中一路数据由MMA7361采样实现，另一路由50K自制电位器采样并经AD7705进行模数转换后输入到单片机，如图1所示。

2 系统的硬件设计

2.1 角度检测电路设计与检测原理

本系统采用双角度传感器检测风板的转角。MMA7361加速度传感器输出βl，自制50K电位器与AD7705测量得到β2。β1与β2同时输入到单片机，利用程序实现角度准确测量。当△β=βl-β2在允许范围时，取最终的测量角度为β=（βl+β2）/2，若△β超出精度要求，则重新采样。MMA7361检测电路如图2所示。

MMA7361是一款低功耗、低寄生电容的微型机械加速度计，具有尺寸小，精度高等特征，但其抗干扰能力弱。本系统另外设计了一路传感器，由50K电位器电路采集角度信号后经AD7705进行模数转换输入到单片机，电路如图3所示。

2.2 风板驱动电路设计

STM32F103V8T6采用自适应PID算法实现对风扇电机转速的控制，通过输出两路占空比互补的PWM波分别驱动两台风机的电动机，实现对风板角度的控制，控制电路如图4所示。

PWM脉宽调制方法是直流电机转速控制中最重要也是最常见的一种驱动方式。采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节上时，其效果基本相同，这正是PWM控制技术的理论基础。设占空比为100%的PWM信号经驱动器驱动后其有效电压幅值为U，则占空比为a的PWM波其对应的有效值输出Ua=a*U。本系统驱动电路采用8550三极管和场效应管IRF540作为开关器件，易于与处理器接口，使用简单。

在一个PWM周期里，电机的电枢承受单极性的电压，电机的速度由PWM的脉宽决定。根据PWM占空比的大小控制晶体管的开关状态来调节的电机的转速。当占空比为0时，即电机停止转动。当占空比为百分之百时，电机处于全速运转状态，风力达到最大，从而驱动风板偏转角度达到最大。电机的转动速度由PWM的占空比的宽度决定。占空比越大，风机的风量越大；占空比越小，则风量越小。

電路中二极管起续流保护作用。由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若忽然将电流切断将在功率管两端产生巨大的电压，损坏器件。为了进一步提高抗干扰能力我们还使用了PC817高速光电耦合器件组成的隔离电路和控制电路和动力电路进行电气隔离。

2.3 声光报警模块电路的设计原理

声光报警电路的电路原理图如图5所示。P3是接单片机I/O口，三极管的工作条件要求是“发射结正偏，集电结反偏”。当单片机为高点平时，电流流过电阻R1到三极管9012的基极，处于截止状态，蜂鸣器和发光二极管均不发声和指示报警。

2.4 键盘电路设计

键盘采用4*4的行列式键盘。P4的低4位作为行线输出，P4的高4位作为列线输入。扫描采用定时方式，单片机每20ms扫描一次。16个按键分成两大功能区，其中4个作为功能选择键菜单功能（并作为数值输入确认键）、按键退出、基本功能菜单、发挥部分功能菜单，10个作为转角数值输入，可以以10进制输入风板转角设定值。

2.5 显示电路设计与原理

12864液晶显不功能强大，可显不各种字体的数字、汉字、图像，还可以自定义显示内容，对于本系统可以通过键盘可以在液晶上制作各种功能菜单，文字符号和图形。使得系统具有人性化设计。显示原理图如图6所示。

3 系统软件设计

系统的软件设计采用C语言编程，软件开发采用KdlC软件平台进行调试。

3.1 系统程序说明

开机后，系统采集并显示当前风板角度，当有按键进行功能选择时，分别进入“基本功能”、“发挥部分”两个不同的子程序。主程序流程图如图7所示。进入基本功能模块或发挥模块后，程序先对两路传感器采集到的数据进行处理，采样数据处理后与键盘预置角度比较，对此偏差进行自适应PID运算，输出两路占空比互补的PWM波，此子程序流程图如图8所示。

3.2 控制算法设计与实现

风板转角的控制采用自适应PID控制算法，其中，PID算法中各参数均由程序通过算法自行设定。PID控制框图如图9所示。离散PID算法如式（1）所示。

被控对象风板的转角由按键设定给定值θ，加速度传感器测量风板当前转动角度得到θ1（k），单片机对θ与θ1（k）作减法运算，得到偏差△θ（k），式（1）中的e（k）即为△θ（k）。单片机执行PID算法实现对被控风板转角的控制。

4 总结

本系统以STM32F103V8T6单片机为核心的风板控制系统，通过HD控制算法的优化，完全达到设计目的。系统运行平稳，控制精度高，硬件电路简单。

参考文献

[1]何希才.常用电子电路应用365例[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2]刘仁宇.模拟电子技术[M].北京：机械工业出版社，2001.

[3]孙肖子.实用电子电路手册（模拟电路部分）[M].北京：高等教育出版社，1991.

[4]张鑫，王翠萍.C语言程序设计基础[M].北京：北京理工大学出版社，2006.

[5]徐仁贵，廖哲智.单片机微型计算机应用技术[M].北京：机械工业出版社，2007.