基于MKL26Z256VLL4的風板控制系統(tǒng)設計*

陳素芹，賈冕茜，余紅英，陶玉貴

(蕪湖職業(yè)技術學院 a.電氣工程學院；b.信息工程學院，安徽 蕪湖 241006)

基于MKL26Z256VLL4的風板控制系統(tǒng)設計*

陳素芹a，賈冕茜a，余紅英a，陶玉貴b

(蕪湖職業(yè)技術學院 a.電氣工程學院；b.信息工程學院，安徽 蕪湖 241006)

以飛思卡爾MKL26Z256VLL4單片機為核心控制芯片，設計了風板控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以低功耗的OLED模塊迷你12 864為顯示器，通過按鍵選擇工作模式及設定風板位置角度；采用高精度角位移傳感器WDD35D-4實時檢測角度的變化，經(jīng)單片機12位AD采樣，應用增量PID算法改變PWM的占空比調(diào)節(jié)2臺直流風機的轉速使風板達到預置角度。實驗結果表明，系統(tǒng)操作界面簡明，風板在空載及負重的情況下都能平穩(wěn)準確地到達預設角度、并能在2個角度之間實現(xiàn)快速的周期性擺動，且動態(tài)實時顯示風板的位置角度，達到了設計要求。

增量PID；MKL26Z256VLL4；PWM；角度傳感器

0 引言

隨著光電信息技術的發(fā)展，太陽能的應用領域越來越廣泛，在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，為了提高能源的利用率、增強控制能力和穩(wěn)定性，角度測量和角度控制顯得尤為重要。為此我們設計了基于MKL26Z256VLL4微處理器的風板控制系統(tǒng)。系統(tǒng)從風板的角度控制、停留時間、擺動周期等方面進行了設計，通過按鍵選擇工作模式及設定風板的位置角度，控制風機的轉速使風板旋轉到預置的角度[1]。

1 系統(tǒng)總體方案設計

風板控制系統(tǒng)如圖1所示，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，軸承一端安裝高精度角度傳感器，風板左邊極限角度為300，右邊極限角度為1500；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。根據(jù)風板需轉到的角度，單片機MKL26Z256VLL4內(nèi)部12位AD通過高精度角位移傳感器WDD35D-4采集當前偏轉角度[2]，用分段增量PID算法閉環(huán)調(diào)節(jié)控制直流風機轉速的PWM的占空比，實時調(diào)整風板的旋轉角度，保持風板的平衡穩(wěn)定。

圖1 風板控制系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)包括風機控制電路、角度測量、MKL26Z256VLL4微處理器、供電系統(tǒng)、按鍵、顯示及聲光提示電路，總體設計方案如圖2所示。

圖2 總體設計方案

2 硬件設計

2.1 供電系統(tǒng)設計[3]

系統(tǒng)選擇額定功率為28.8 W/12 V的直流風機，要求穩(wěn)壓電源電路的輸出功率≥57.6 W，且系統(tǒng)運行時直流風機需不斷調(diào)速，對電路的電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率都有很高要求，因此系統(tǒng)選用12 V、100 W開關電源為風機供電；MKL26Z256VLL4單片機正常工作電壓為3.3 V，將12 V開關電源經(jīng)L5972D降壓至3.3 V后為單片機供電，如圖3所示。

圖3 單片機電源電路

2.2 風機驅動電路設計[4]

系統(tǒng)配有2個直流風機，總功率為57.6 W，采用4片BTN7971B構成H橋驅動風機，每2片驅動一個電機。BTN7971B驅動電路結構簡單，PWM脈沖信號經(jīng)IN引腳輸入控制風機實現(xiàn)調(diào)速，驅動電路如圖4所示。

圖4 風機驅動電路

2.3 隔離電路、顯示電路設計

電機調(diào)速過程中電流不斷發(fā)生變化，為避免影響單片機正常工作，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)采用驅動電壓低、能耗低的1.3′OLED液晶顯示屏，該顯示屏響應速度快、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 軟件設計[5]

系統(tǒng)開機后，首先進行初始化操作，開啟5 ms定時中斷；通過按鍵進行模式設置，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)當前AD所測角度與預置角度偏差，分段設置PID參數(shù)，應用增量PID算法閉環(huán)調(diào)節(jié)控制兩電機的PWM占空比，使風板快速響應且迅速穩(wěn)定在預置角度，穩(wěn)定停留預置時間后，實現(xiàn)落板操作。根據(jù)實測，最后確定PID參數(shù)分為兩段設置如表1所示,為當前角度與預置角度差值的絕對值[6]。

系統(tǒng)程序在IAR開發(fā)環(huán)境下用C語言編寫，軟件設計流程如圖7所示。

表1 分段PID系數(shù)

5 測試結果與分析

系統(tǒng)調(diào)試完成后，根據(jù)設計目標，確定風板的起點(30O）和終點（150O），對風板控制系統(tǒng)不夾重物及負重2種情況進行了性能測試。

5.1 測試結果

在測試開始前首先對系統(tǒng)進行了自檢操作，風板由起點低速轉動至終點再緩慢返回起點，確保電機及機械結構均能正常工作，自檢結束，OLED上顯示“系統(tǒng)自檢完成”。自檢完成顯示如圖8所示。

預置風板控制角度(控制角度在45O～135O之間設定)，由起點開始啟動裝置，設置穩(wěn)定停留時間5 s，測試結果如表2所示。

表2 從起點啟動裝置測試結果

在450～1350范圍內(nèi)預置2個角度值（Φ1和Φ2），在2個角度間作4次周期性擺動，由終點開始啟動裝置，測試結果如表3所示。

表3 從終點啟動裝置測試結果

測試過程中OLED實時顯示如圖9所示。

圖8 自檢顯示

圖9 測試顯示

5.2 測試分析

從測試結果看，風板控制系統(tǒng)在空載或負重2種情況下，都能快速到達預置角度并穩(wěn)定停留5 s，過渡時間不大于6.72 s，也可以在兩個預置角度間做周期性擺動，擺動次數(shù)可調(diào)，擺動周期不大于4.92 s；實際到達角度與預置角度最大絕對誤差不大于2°，風板到達預置角度時有聲光提示。

5 結語

采用32位飛思卡爾單片機MKL26Z256VLL4為控制芯片，設計了風板控制系統(tǒng)，風板角度轉動范圍為450～1350。系統(tǒng)通過高精度角位移傳感器WDD35D-4進行角度信號采集，經(jīng)單片機12位AD采樣濾波，運用增量PID算法調(diào)節(jié)控制電機的PWM占空比，驅動兩直流風機實時調(diào)速，使風板能到達任一預置角度并穩(wěn)定停留，也可在任意2個角度間周期擺動，并在OLED顯示屏上實時顯示預置角度及AD采樣得到的角度。系統(tǒng)響應速度快，控制精度高，具有自檢及聲光提示功能。該風板控制系統(tǒng)可廣泛應用于角度測量及控制等技術領域。

注釋及參考文獻：

[1]喬之勇，王榮海．基于AT89S52的帆板控制系統(tǒng)[J]．兵工自動化，2013，32(2)：88-96．

[2]張永紅，高曉梅．遮風板角度控制系統(tǒng)設計及優(yōu)化[J]．電子設計工程，2012，20(7)：83-88．

[3]黃智偉．全國大學生電子設計競賽系統(tǒng)設計[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2011:33-35．

[4]代萬輝．全國電子設計大賽培訓寶典[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2012：88-92．

[5]郭天祥．51單片機C語言教程[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2012：95-122，239-264．

[6]閆琪．智能車設計“飛思卡爾杯”從入門到精通[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2014．:351-377．

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

安徽省高校省級教學質量與教學改革工程項目（2012sjjd048）；安徽省高校自然科學研究重點項目（KJ2015A449）；蕪湖職業(yè)技術學院自然科學研究項目（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。