基于SCA100T-2傾角傳感器的風板控制系統設計實現

韓金玉　天津中德職業技術學院電氣工程學院　300350王守志　天津中德職業技術學院航空與汽車學院　300350

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基于SCA100T-2傾角傳感器的風板控制系統設計實現

韓金玉天津中德職業技術學院電氣工程學院300350
王守志天津中德職業技術學院航空與汽車學院300350

【文章摘要】

風板控制系統采用高精度雙軸傾角傳感器SCA100T-2實時檢測帆板偏轉角度,并由單片機STC12C5A60S2采集處理。數據經8位ADC0809進行A/D轉換后,為減少誤差采用數字平均濾波算法處理數據。系統通過自適應PID控制算法調節PWM信號，控制兩臺軸流風機的轉速，實現精確、平穩控制風板翻轉到設定角度。

【關鍵詞】

風板控制系統；傾角傳感器；數字濾波算法；自適應PID；PWM信號

0　引言

2015年全國大學生電子設計大賽試題I組題目是風板的控制系統設計與制作，要求對系統中的軸流風機的風速控制，使得風板翻轉角度（控制角度在45°～135°之間設定）在規定的時間內快速、穩定達到預定的要求。

1　系統設計方案與制作

圖1　風板控制系統框圖

圖2　單片機模塊和液晶顯示模塊

根據系統方案設計，風板控制系統的框圖如圖1所示。系統主要由單片機模塊、角度檢測模塊、風機驅動模塊、A/D 模塊、LCD顯示模塊、聲光提示模塊、按鍵模塊等構成。通過按鍵設定風板的初始位置，由單片機調整PWM脈沖調寬信號，實現電機轉速控制，并由單片機把設定角度顯示在LCD液晶顯示屏上。安裝在風板上的角度傳感器將實時檢測到的信號送入ADC0809進行A/D轉換，然后信號經過單片機處理后得到角度值，并實時顯示到液晶屏上。同時根據風板旋轉的實時角度值，在軟件設計中利用自適應PID控制算法對PWM調速，使帆板迅速、穩定轉動到設定的角度，最終實現系統功能。

2　硬件模塊的組成

2.1單片機模塊

本系統采用的單片機是深圳宏晶科技公司的STC12C5A60S2單片機，電源電壓（5.5～3.3V），片內含60kb的可反復擦寫的只讀存儲器，8通道10位AD轉換器，速度可達25萬次/秒。其中，P1口作為普通I/ O口使用，也是片內8路AD轉換器的輸入端口，檢測帆板轉動角度值。本系統將單片機的P0端口和LCD1602與液晶顯示，顯示風板的設定角度值與實時角度。

2.2電機驅動模塊

軸流風機驅動采用LM298N芯片控制，該芯片是專用的電機驅動芯片。其內部含有H 橋的高電壓、大電流全橋驅動器，可以用來驅動直流電機和步進電機，采用標準邏輯電平控制，具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響下允許或禁止。器件有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作。芯片最大工作電流2.5A，額定功率25W。

2.3角度傳感器

角度傳感器有旋轉編碼器、雙軸傾角傳感器等系列，旋轉編碼器精度高、安裝工藝復雜、價格昂貴；SCAT100T系列的雙軸傾角傳感器，精度高，線性度好，價格便宜；所以選擇SCAT100T系列的雙軸傾角傳感器，根據測量角度的范圍選擇SCA100T-D02型號的傾角傳感器。

風板傾斜角變化范圍是45°～135°，而SCA100T-D02顯示的角度范圍是，因此在采集的角度基礎上增加90°，則SCA100T-D02測量角度范圍為0°～180°。由于風板的傾斜方向，決定了角度傳感器采用Y軸傾斜計算法來計算帆板的偏轉角度。所應用的角度轉化公式為：。安裝角度與風板垂直，安裝原理如下圖3所示。

3　系統設計算法

3.1數字濾波算法

在數據采集過程中，由于傳感器安裝在風板上，風板的低頻震動，包括傳感器在內的各個測量環節硬件電路存在電磁、濾波、噪音的干擾，影響采集數據的準確性；如果只單純采用改變硬件電路難以根本解決問題；但是結合軟件抗干擾的數字濾波算法可以使問題很容易得到解決，克服和彌補了硬件本身的缺陷和弱點。在實際編程過程中采用了數字濾波算法，由單片機的A/D端口對角度值分5組反復采樣25次，每一組去除最大值、最小值，剩余取平均值。將5組的平均值再除去最大值和最小值，再次求平均值，得到的便是穩定的角度值。

3.2自適應PID控制算法

圖3　角度傳感器Y軸的安裝原理圖

圖4　自適應PID控制器

由于在風板控制系統中的被控對象具有時變不確定性、純滯后等特征，控制過程機理較復雜,傳統的PID控制參數整定方法顯現出很大的局限性。因此本文采用自適應神經網絡PID控制算法，使風板迅速穩定達到預設的角度。整個的控制過程為首先預設角度給單片機,單片機對風板進行翻轉控制；其次單片機通過角度傳感器對風板實時角度進行監測，并將其信息傳輸至控制器；再次控制器根據預設角度和實時檢測角度進行判斷決策；最后控制器通過參數的自適應整定,得到控制信號，從而得出系統在誤差允許范圍內相應的PWM占空比，驅動風板轉過穩定的角度,自適應控制器的原理圖如圖4所示。

4　結論

本系統以STC89C52RC 單片機為核心控制部件，利用SCA100T-D02型號的傾角傳感器檢測風板角度的變化，事實證明此傳感器的線性度好，安裝方便，測量角度精確；系統算法采用自適應PID控制算法，系統運行平穩、準確，實現了對風板翻轉角度的控制。

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韓金玉，1978.10，女，河北邢臺人，天津中德職業技術學院，講師，碩士研究生，主要從事電氣自動化技術研究與教學。

【作者簡介】