空調系統(tǒng)的導風板控制裝置設計與測試

王小會 李曉青 薛延剛

摘 要：隨著天氣的轉熱，很多家庭普遍使用掛壁式空調來保證家里空氣的清新和新鮮，而空調的性能好壞是由其送風量和送風角度決定的，因此設計一種控制電路來調節(jié)風量和角度很有必要。采用STC89C52RC單片機作為中央處理器，通過WDD35D4角位移傳感器采集導風板的傾斜角度，經模數轉換后，單片機對檢測角度與設定角度進行比較，并應用比例-積分-微分（Proportion Integration Differentiation， PID）算法進行處理，再以運算結果調整脈寬調制（Pulse-Width Modulation， PWM）信號，作用于直流風扇來調節(jié)風扇的風力。實驗表明，在5 s內可以將導風板穩(wěn)定停留在預置位置，誤差范圍不超過5°，且擺動的周期不大于5 s。該系統(tǒng)可以有效調整導風板的角度，減小誤差，確保空調的送風范圍和家居環(huán)境的舒適性。

關鍵詞：單片機;導風板;PID算法;PWM

1系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)主要有單片機最小系統(tǒng)、供電電路、角度檢測電路、風機驅動電路、顯示電路等。該系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機作為控制核心[1-2]，通過WDD35D4角位移傳感器實時采集導風板的傾斜角度[3]，采集到的電信號經A/D轉換送入單片機，單片機對其進行數據處理，并調整輸出PWM波形，以控制風機的轉動[4]。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1? 供電電路

變壓器、橋式整流電路及電容組成了該系統(tǒng)的供電電路，其工作原理是變壓器對220 V的電壓首先進行降壓，然后經4個二極管組成的橋式整流電路將交流電轉變?yōu)橹绷麟?，再經電容濾波后，把它轉換為5 V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作[5]。供電電路如圖2所示。

2.2? 角度檢測電路

為檢測導風板角度變化，選用高精度角位移傳感器WDD35D4芯片作為檢測角度傳感器，使用單片機進行數據采集和處理[6]。角度檢測電流如圖3所示。

2.3? 風機驅動電路

風機驅動電路采用L298N芯片，工作時單片機的定時器產生PWM波，通過調整PWM的占空比，調節(jié)輸出電壓，進而可以控制風機轉速的快慢[7]。風機驅動電路如圖4所示。

2.4? 顯示電路

顯示電路采用LCD12864芯片，該芯片是一種圖形點陣的液晶顯示器，主要由行或列的驅動器以及128*64的全點陣液晶顯示器組成，可以相對完成更多的顯示內容，包括文字、數據、圖形等。顯示電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

在直流電源US穩(wěn)定的情況下，PWM通過控制開關器件的通斷，得到一系列幅度相同而寬度不同的脈沖，通過調節(jié)占空比可以達到調節(jié)直流電機電樞電壓的目的。PWM調制公式如下：

其中，Ud是直流電機的平均電源，T是開關周期，ton是導通時間，ρ是占空比。

該系統(tǒng)采用增量式PID算法來實現(xiàn)角度的控制[8]。根據采集的數據與設定值比較得出偏差，對偏差進行PID運算，最終利用運算結果控制PWM脈沖的占空比來實現(xiàn)對直流電機電樞電壓的控制，實現(xiàn)電機轉速的調節(jié)[9]。增量式PID算法公式如下：

其中，Kp是比例系數，Ki是積分系數，Kd是微分系數。

在上述理論的基礎上，對系統(tǒng)的軟件部分進行了設計，主程序流程圖如圖6所示。

4 實驗結果

測試一：首先將導風板的角度進行預置，設置在45°～135°之間，由起點開始，10 s內到達第一個預置角度，穩(wěn)定停留5 s，然后回到終點。測試結果如表1所示。

測試二：首先從終點開始，10 s內到達第一個預置角度，然后到達第二個預置角度，之后再到達第一個預置角度，到達第二個，導風板往返3次。測試結果如表2所示。

5 結語

該系統(tǒng)在任務一中導風板的過渡時間不大于10 s，控制的角度的誤差不大于5°，同時在預置角度上停留的時間大于或等于5 s，誤差范圍在2 s以內。在任務二中，10 s內導風板到達第一個預置的角度，然后到達第二個預置角度，在它們中間做3次擺動，擺動的周期不大于5 s，擺動時候的幅角不大于5°，動作完成后導風板還是回到起始位置上。仿真測試結果顯示，該系統(tǒng)可以完成設定的動作，有效調整導風板的角度，減小誤差，進而可以調整空調系統(tǒng)風量，確保了空調的送風范圍和家居環(huán)境的舒適性。

[參考文獻]

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[2]劉麗華.基于STC89C52設備風扇控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].遼寧科技學院學報，2017（6）：5-6.

[3]李芳芳，彭琳茹，程航.基于單片機的風板控制裝置的設計與實現(xiàn)[J].機械研究與應用，2016（4）：184-186.

[4]丁鎮(zhèn)生.電子電路設計與應用手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[5]黃智偉.全國大學生電子競賽常用電路模塊制作[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[6]馮笑，牛小偉.基于STC125A60S2的風板自動控制裝置設計[J].商丘職業(yè)技術學院學報，2016（5）：78-81.

[7]郭凱，黃建清，任英杰，等.基于51單片機的帆板系統(tǒng)的控制設計[J].農業(yè)網絡信息，2017（257）：107-112.

[8]郭俊葳，周磊.基于增量PID算法的智能帆板系統(tǒng)[J].電子世界，2018（10）：121-123.

[9]馮笑，江興盟.一種風板自動控制裝置設計及測試[J].石家莊鐵路職業(yè)技術學院學報，2016（4）：75-79.

（編輯 何 琳）