遮風(fēng)板角度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

張永紅，高曉梅

（1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教務(wù)處教材實(shí)踐科，陜西 西安 710089；2.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程系，陜西 西安 710089）

遮風(fēng)板控制系統(tǒng)，通過對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制，調(diào)節(jié)風(fēng)力大小，改變遮風(fēng)板轉(zhuǎn)角 θ，顯示范圍為 0～60°，分辨力為 2°，絕對誤差不大于5°；當(dāng)間距d=10 cm時(shí)，通過操作鍵盤控制風(fēng)力大小，控制遮風(fēng)板轉(zhuǎn)角θ，要求控制過程在10 s內(nèi)完成，如圖1所示。

圖1 遮風(fēng)板控制系統(tǒng)示意圖Fig.1 Structure diagram of angle control system of wind board cover

1 方案的確定

遮風(fēng)板控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制及顯示模塊、角度信息采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、A/D采樣模塊、電源模塊等構(gòu)成。

1）角度信息采集模塊 光電對管測量分辨率低，工作繁瑣且工藝要求高；電位器測量角度，歸零方便，但精確度不夠高，調(diào)節(jié)難度大，溫漂較大。采用MMA7260Q-3軸小量程加速傳感器具有低功耗、低噪音、分辨率高精度高且能多角度調(diào)節(jié)。

2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 采用NEC公司電機(jī)控制ASSP芯片MMC-1配合L298N，MMC-1為多通道兩相四線步進(jìn)電機(jī)/直流電機(jī)控制芯片，基于NEC電子16位通用MCU固化專用程序?qū)崿F(xiàn)，通過VART或SOI串行為主控MCU擴(kuò)展專用電機(jī)控制功能，可以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制和速度控制256檔，并具備過流檢測功能，工作電流2 A，可同時(shí)帶動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)或一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。

3）A/D采樣模塊 采用TLC2543CN將角度信息的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，TLC2543CN是TI公司的12位串位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程，且其串口輸入能節(jié)省51系列單片機(jī)I/O資源，性價(jià)比、分辨率都極高。

4）控制系統(tǒng)的選擇 采用STC12C5A60S2作為主控器，STC系列單片機(jī)是紅星科技生產(chǎn)單時(shí)鐘、機(jī)器周期（IT）單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，自帶A/D PWM。

5）顯示模塊選擇 采用TFT彩屏進(jìn)行角度的顯示，彩屏性能穩(wěn)定、單位解析度高，可以完成文字、圖形的顯示，畫面生動(dòng)，人機(jī)界面友好。

2 分析與計(jì)算

本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)角度的采集和角度的實(shí)時(shí)顯示，以TFT彩屏顯示角度的數(shù)值，傳感器采集角度信息通過單片機(jī)進(jìn)行PID運(yùn)算。采用MMA7260Q-3軸小量程加速傳感器采集角度信息，通過12位A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543CN將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)運(yùn)算后在TFT顯示出角度值。當(dāng)采集的角度信息與預(yù)設(shè)值不符合時(shí)，單片機(jī)會(huì)進(jìn)行PID運(yùn)算，控制電機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)遮風(fēng)板轉(zhuǎn)角。

角度的計(jì)算：

3 電路系統(tǒng)的構(gòu)成

遮風(fēng)板控制系統(tǒng)主電路框圖如圖2所示。

3.1 角度信息采集、信息處理系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 主電路框圖Fig.2 Structure diagram of main circuit

角度信息采集、信息處理系統(tǒng)電路原理圖如3所示。由角度信號采集電路、A/D采樣電路組成。采用MMA7260Q加速傳感器及外接屏蔽線檢測遮風(fēng)板轉(zhuǎn)動(dòng)角度，再由A/D轉(zhuǎn)換器TLC-2543CN完成信號轉(zhuǎn)換，屏蔽線避開電機(jī)中線圈的干擾，能隙式精密電壓源MC1403提供2.5 V的基準(zhǔn)電壓，提高系統(tǒng)的分辨率。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電路原理圖如圖4所示。用驅(qū)動(dòng)芯片L298N作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主控芯片，采用7805穩(wěn)壓管提供+5 V電壓，光耦隔離輸入、輸出信號，屏蔽線避開電機(jī)中線圈的干擾，提高角度測量的精確度。

3.3 控制及顯示電路

控制及顯示電路原理如圖5所示。

圖3 角度信息采集及處理系統(tǒng)電路圖Fig.3 Circuit diagram of angle information collecting and information processing system

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of motor drive circuit

圖5 控制及顯示系統(tǒng)電路圖Fig.5 Circuit diagram of control and display system

3.4電 源

電源系統(tǒng)電路原理圖如圖6所示。電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個(gè)系統(tǒng)提供+5 V、+12 V、+3.3 V的電壓，確保電路穩(wěn)定工作。

圖6 電源系統(tǒng)電路Fig.6 Circuit diagram of power supply system

4 測試及結(jié)果分析

4.1 手動(dòng)遮風(fēng)板角度數(shù)據(jù)

手動(dòng)遮風(fēng)板角度數(shù)據(jù)如表1所示。

4.2 設(shè)定遮風(fēng)板轉(zhuǎn)角角度數(shù)據(jù)

設(shè)定遮風(fēng)板轉(zhuǎn)角角度數(shù)據(jù)如表2所示。

結(jié)果分析：

手動(dòng)遮風(fēng)板角度測量準(zhǔn)確度達(dá)100%，預(yù)設(shè)遮風(fēng)板角度測量時(shí)絕對誤差均小于5°，且完成時(shí)間均在10 s范圍內(nèi)。

表1 手動(dòng)遮風(fēng)板角度數(shù)據(jù)Tab.1 Angle data of manual wind board cover

表2 遮風(fēng)板轉(zhuǎn)角角度數(shù)據(jù)Tab.2 Rotating angle data of wind board cover

5 改進(jìn)優(yōu)化

由于系統(tǒng)采用高精度角度傳感器進(jìn)行角度信息采集，進(jìn)行角度測量時(shí)遮風(fēng)板擺動(dòng)幅度偏大，不夠穩(wěn)定，在滿足電路性能指標(biāo)的前提下，盡量選擇精度稍低的器件，并對電路設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化。

6 結(jié)束語

該方案通過預(yù)設(shè)參數(shù)與采集的反饋參數(shù)對比，能夠進(jìn)行自動(dòng)修正，是一套精度較高的遮風(fēng)板角度控制系統(tǒng)。

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