基于STC125A60S2的風(fēng)板自動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)

馮 笑，牛小偉

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450052)

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基于STC125A60S2的風(fēng)板自動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)

馮 笑，牛小偉

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450052)

提出了一種以單片機(jī)STC12C5A60S2為核心的風(fēng)板自動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)方案，主要包括主控模塊、角度測(cè)量模塊、電機(jī)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(guò)按鍵設(shè)定風(fēng)板位置角度；采用WDD35D-4精密電阻式角度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)角度變化；應(yīng)用PID算法改變PWM“占空比”，進(jìn)而通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)扇風(fēng)力大小來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)板轉(zhuǎn)角的控制.風(fēng)板控制裝置具有設(shè)計(jì)合理、簡(jiǎn)單、誤差小等特點(diǎn)，測(cè)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(fēng)機(jī);自動(dòng)控制;角位移傳感器

0 引言

2015年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽試題I組題目是風(fēng)板的控制裝置設(shè)計(jì)與制作，要求通過(guò)控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)量來(lái)控制風(fēng)板完成規(guī)定動(dòng)作要求.規(guī)定動(dòng)作要求： 1)預(yù)置風(fēng)板控制角度(控制角度在45°～135°之間設(shè)定).由起點(diǎn)開(kāi)始啟動(dòng)裝置，控制風(fēng)板到達(dá)預(yù)置角度，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間不大于10 s,控制角度誤差不大于5°，在預(yù)置角度上穩(wěn)定停留時(shí)間為5 s,誤差不大于1 s，動(dòng)作完成后風(fēng)板平穩(wěn)停留在終點(diǎn)位置上，負(fù)載0.01 kg重物后再重復(fù)此動(dòng)作要求.2)在45°～135°范圍內(nèi)預(yù)置兩個(gè)角度值.由終點(diǎn)開(kāi)始啟動(dòng)裝置，在10 s內(nèi)控制風(fēng)板到達(dá)第一個(gè)預(yù)置角度上，然后到達(dá)第二個(gè)預(yù)置角度，在兩個(gè)預(yù)置角度之間做3次擺動(dòng)，擺動(dòng)周期不大于5 s,擺動(dòng)幅角誤差不大于5°，動(dòng)作完成后風(fēng)板平穩(wěn)停留在起點(diǎn)位置上；負(fù)載0.01 kg重物后再重復(fù)此動(dòng)作要求. 3)顯示風(fēng)板設(shè)置的控制角度.風(fēng)板從一個(gè)狀態(tài)變到另一個(gè)狀態(tài)時(shí)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(jī)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(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)風(fēng)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(cè)量模塊、電機(jī)工作模塊、電源模塊等四部分，其中主控模塊有單片機(jī)、鍵盤(pán)輸入、LCD液晶顯示及聲光報(bào)警等組成.通過(guò)按鍵設(shè)定風(fēng)板的初始位置，由單片機(jī)調(diào)整 PWM 脈沖調(diào)寬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，并由單片機(jī)把設(shè)定角度顯示在LCD 液晶顯示屏上.安裝在風(fēng)板上的角度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)角度值，并實(shí)時(shí)顯示到液晶顯示屏上.同時(shí)利用PID控制算法對(duì)PWM調(diào)速，使風(fēng)板迅速、穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)到設(shè)定的角度，完成規(guī)定動(dòng)作要求.

圖1 系統(tǒng)總體方案

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，STC12C5A60S2是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期的單片機(jī)，是高速、低功耗、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，但速度快8～12倍.內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位電路、2路PWM、8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合[3]133-134.

角度測(cè)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(dǎo)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(gè)機(jī)械角位移轉(zhuǎn)換成電氣信號(hào)，并且該信號(hào)與機(jī)械運(yùn)動(dòng)成正比.當(dāng)在電刷和修正過(guò)的導(dǎo)電塑料阻軌之間測(cè)量時(shí)，信號(hào)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(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊，能夠同時(shí)顯示16×02即32個(gè)字符.聲光報(bào)警部分采用發(fā)光二極管與蜂鳴器分別進(jìn)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(fēng)機(jī)工作模塊

系統(tǒng)左右各有一個(gè)相同直流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L298N橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片， L298N工作電壓高、輸出電流較大，內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，具有信號(hào)指示、轉(zhuǎn)速可調(diào)、抗干擾能力強(qiáng)、過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)、PWM脈寬平滑調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，而且能夠使用TTL電平進(jìn)行控制.為保護(hù)控制器使系統(tǒng)工作穩(wěn)定，在STC12C5A60S2單片機(jī)與L298N驅(qū)動(dòng)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(guò)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(fēng)機(jī)供電電壓為12 V，單片機(jī)所需電壓為5 V左右.

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)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(yù)置風(fēng)板單個(gè)控制角度，功能2為預(yù)置兩個(gè)控制角度.如圖3 (b)中斷服務(wù)程序，用定時(shí)器中斷方式采集角度信息，通過(guò)PID算法控制單片機(jī)輸出的PWM“占空比”方法實(shí)現(xiàn)風(fēng)板控制功能.

PID調(diào)節(jié)器具有原理簡(jiǎn)單，適用面廣，參數(shù)選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn).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(jiǎn)化為：

(2)

式中：

電機(jī)轉(zhuǎn)速是由單片機(jī)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(gè)采樣周期通過(guò)改變PWM占空比的方法改變電機(jī)電樞上的電壓，實(shí)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(dòng)力特性和響應(yīng)要求，適當(dāng)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(cè)試

4.1 風(fēng)板控制裝置制作

裝置制作實(shí)物如圖4所示.

圖4 裝置制作實(shí)物

風(fēng)板控制裝置包括滑道、直流風(fēng)機(jī)(含底座)、支架、角度指示盤(pán)及角位移傳感器.風(fēng)板兩邊各一個(gè)直流風(fēng)機(jī)，風(fēng)板用碳素管固定于光滑軸承上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸實(shí)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(fēng)板左邊極限角度為30°，右邊極限角度為150°.為保證風(fēng)力均勻流向風(fēng)板，2個(gè)直流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處各做了一個(gè)斜坡作為風(fēng)道.系統(tǒng)測(cè)試前先進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，使得單片機(jī)通過(guò)角度傳感器采集并且實(shí)現(xiàn)顯示角度即風(fēng)板當(dāng)前的角度值，達(dá)到與角度盤(pán)中指示值一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的要求.

4.2 風(fēng)板控制裝置測(cè)試

系統(tǒng)調(diào)試成功后進(jìn)行風(fēng)板控制裝置的測(cè)試，完成規(guī)定動(dòng)作要求.預(yù)置風(fēng)板單個(gè)控制角度(45°～135°)，由起點(diǎn)開(kāi)始啟動(dòng)裝置控制風(fēng)板到達(dá)預(yù)置角度，過(guò)渡時(shí)間不大于10 s,角度誤差不大于5°，穩(wěn)定停留時(shí)間為5 s,誤差不大于1 s，分別測(cè)試風(fēng)板空載和負(fù)重0.01 kg砝碼的動(dòng)作要求，測(cè)試結(jié)果如表1所示.結(jié)果顯示均能夠滿足測(cè)試要求.

表1 預(yù)置單個(gè)控制角度的測(cè)試結(jié)果

預(yù)置兩個(gè)控制角度值(45°～135°范圍內(nèi))，由終點(diǎn)開(kāi)始啟動(dòng)裝置，并且在兩個(gè)角度間作3次周期性擺動(dòng)，擺動(dòng)周期不大于5 s,擺動(dòng)幅角誤差不大于5°，動(dòng)作完成后風(fēng)板平穩(wěn)停留在起點(diǎn)位置上，風(fēng)板空載和負(fù)重0.01 kg砝碼的測(cè)試結(jié)果如表2所示，結(jié)果顯示均能夠滿足測(cè)試要求.

表2 預(yù)置兩個(gè)控制角度的測(cè)試結(jié)果

通過(guò)以上測(cè)試可知風(fēng)板控制系統(tǒng)滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本控制要求和發(fā)揮部分的設(shè)計(jì)要求，但仍然存在較小誤差，主要干擾因素來(lái)自于兩直流風(fēng)機(jī)的微小差異、電機(jī)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(yǔ)

基于單片機(jī)的風(fēng)板控制裝置設(shè)計(jì)以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，通過(guò)PWM調(diào)壓和PID轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方法來(lái)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)板準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)到設(shè)定角度的自動(dòng)控制.系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，測(cè)量誤差較小，具有工作的可靠性和穩(wěn)定性等特點(diǎn).該風(fēng)板控制系統(tǒng)可以應(yīng)用于角度測(cè)量及控制等技術(shù)領(lǐng)域.

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[責(zé)任編輯 梧桐雨]

2016-06-10

馮 笑(1987- )，男，河南南陽(yáng)人，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)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

A