下置軸風板雙向風力控制系統的設計與優化

摘 要：為實現通過改變風量控制下置軸風板角度，經過選擇合適的風機保證足夠的風力，設計合適的風道形成穩定的風力，設計制作輕且有一定強度、有靈活支承，有粗糙表面的阻風板，然后設計了一種以增強型單片機STC12C5A60S2為主控電路，LCD1602液晶顯示器為顯示單元，由電位器式角度傳感器采集的角度模擬信號經單片機內部A/D轉換為數字角度信號，通過單片機處理信號，顯示屏顯示實時角度和PID調節，通過PWM調速控制左右風機的風量來控制風板轉角的設計方案。實驗結果表明，該系統精度較高，并能夠進行自動修正，達到設計要求。

關鍵詞：下置軸風板轉角；PID；PWM調速；控制系統

引言

2015 年全國大學生電子設計競賽高職高專組I題設計任務：設計并制作一個風板控制裝置。該裝置能通過控制風機的風量來控制風板完成規定動作，風板控制裝置參考示意圖見圖1。因而有了文章的設計。

1 任務分析

根據任務描述，其中的控制的邏輯關系是：控制系統→風機轉速→風量→風板轉動角度→控制系統。這是一個有反饋的閉環控制，適用經典的PID控制理論進行設計。

逐步分析任務要求，可以發現，首先要選擇合適的風機，有足夠的風力吹動阻風板；考慮到風屬于流體，具有復雜動力性，容易受到干擾，接下來就要設計合適的風道，保證有穩定的風力控制阻風板；阻風板要考慮的問題一是轉動靈活，二是風機容易吹動，三是能形成較穩定的風阻，因此阻風板要輕且有一定強度、要靈活支承，要有粗糙表面。

所以本設計用經典PID控制理論設計控制系統，裝置結構要選擇合適的風機保證足夠的風力，設計合適的風道形成穩定的風力，設計制作輕且有一定強度、有靈活支承，有粗糙表面的阻風板。

2 方案設計

根據設計任務要求，本裝置擬進行風機控制設計與風板及風道布局設計。

（1）風板及風道布局主要由左右風道、導向裝置、風板限位裝置、風板、風板轉軸及支架以及量角器等組成，初步方案設計如圖2所示。風道設計了兩種，風道類型I：由梯形錐體聚風槽+圓弧導風板，如圖2左邊所示；風道類型II，由圓錐體聚風槽+圓型導風管，如圖2右邊所示。經過反復實驗比較，最終選擇風道類型I。

（2）本設計選擇了風量大、風壓小的小型軸流風機。因而風板材質的選擇：要求較輕，又具有一定強度，設計中經過試驗，選擇了較輕ABS樹脂材料做風板，并在其表面貼一層薄薄的泡沫層以增加風阻減少擾流。

（3）風機控制系統主要由微控制器及顯示模塊、角度信息采集模塊、風機驅動模塊、A/D 采樣模塊、聲光提示、輸入以及電源模塊等構成，系統框圖如圖3所示。

其中主要器件的選用如下：

微控制器采用STC12C5A60S2作為主控器，該芯片是一種單時鐘、機器周期（IT）單片機，具有高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，自帶A/D和PWM，運算能力強，軟件編程靈活，自由度大。

角度傳感器選擇了電位器式角度傳感器，特點歸零方便，線性度高，價格適中，安裝方便。

風機驅動調速方式采用單片機內置PWM信號控制PWM調速風機，該方式，電路簡單，控制方便。

3 系統設計

根據前面的系統方案設計了各個控制電路。

3.1 主控電路設計

控制電路設計主要包括單片機最小系統、角度信息輸入、PWM信號輸出、顯示電路、蜂鳴報警電路、按鍵電路、電源電路等，電路圖如圖4所示。

其中：單片機最小系統由晶振電路、電源組成，晶振22.1184M；

角度傳感器輸入到單片機A/D輸入端1腳；

PWM信號輸出來自單片機PWM輸出端4、5腳；

鍵盤、顯示等電路接相應的輸入輸出端口。

3.2 程序設計

整個系統的功能是由硬件電路配合軟件來實現的，控制系統的核心是主程序，主程序調用了5個子程序，分別是液晶顯示程序、按鍵處理程序、角度傳感器檢測、中斷控制程序、PWM信號發生。

系統上電后，左右風機按預設風速工作，程序流程圖如圖5所示。

系統上電后，左右風機按預設風速運行并進行做初始化，接著掃描鍵盤后判斷預設值的設定是否完成，如果沒有就繼續掃描鍵盤看是否完成與設置，反之則開始通過掃描鍵盤判斷有沒有啟動，沒有就一直掃描，直到啟動后根據角度傳感器反饋信號讓左右PWM信號按比例輸出，對風板穩住進行計時，之后判斷計時是否到5s，是的話就停機，否則就掃描鍵盤看是否停機，沒有時程序返回到角度測量并控制左右PWM信號比例再次執行下邊的程序，掃描到停止時就停機，程序結束。

4 系統測試

5 結果分析與結論

根據上述測試數據，由此可以得出以下結論：

（1）風板角度能在45°～135°內預設，預設步進值為1°，擺動幅度絕對誤差值≤5°，響應時間≤10s，穩定停留時間6s，誤差≤1s，風板能平穩停留在終點位置。

（2）風板在45°～135°內預設兩值，到達第一個預設角度≤10s，在兩個預設角度之間能完成次擺動4次且周期≤5s，幅角≤ 5°，動作完成后風板平穩停留在起點位置。

（3）掛10g砝碼，風板能基本完成控制要求。

綜上所述，本設計達到設計要求。

參考文獻

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