基于STC12C5A60S2的風板控制裝置

左笑雪

摘 要本裝置由風板、控制電路、信號檢測和報警顯示四部分組成。控制電路接收并處理按鍵、光電編碼器等輸入信號，通過PWM技術控制風板轉角；信號檢測部分實現(xiàn)角度測量；液晶顯示控制菜單、預設和檢測角度、穩(wěn)定時間等信息，系統(tǒng)還能進行聲光及語音報警。經(jīng)測試該系統(tǒng)滿足控制要求，且具有時間短、誤差小、功能全等特點。

【關鍵詞】風板控制 單片機 PWM 光電編碼器 語音

1 系統(tǒng)方案設計

為了能夠完成對風板的擺動角度、停留位置及時間的控制，設計的風板控制裝置外部結構如圖1所示，硬件系統(tǒng)由風板、控制電路、信號檢測和報警顯示四部分組成。

1.1 控制芯片選擇

控制芯片選擇STC12C5A60S2單片機。該芯片是單時鐘、高速、低功耗、超強抗干擾8位單片機。具有60K ROM、1028B RAM、4個并口、2個定時器/計數(shù)器和2個全雙工串口，內部還集成專用復位電路和看門狗電路、2路PWM輸出、8路高速10位A/D轉換器。由于STC12C5A60S2具有2路PWM輸出，指令代碼完全兼容8051，且運行速度快，易于實現(xiàn)直流風機調速控制。

1.2 直流風機調速方案選擇

調速方案選擇PWM調速。它是利用數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，常用于直流負載回路、燈具調光或直流電動機調速。PWM調速通過單片機輸出占空比不同的脈沖實現(xiàn)電機速度控制，其優(yōu)點是控制方便、精度較高，所以選擇PWM調速。

1.3 角度測量模塊選擇

角度測量模塊選擇光電編碼器。光電編碼器是一種將旋轉位移轉換為一連串數(shù)字脈沖信號的旋轉式傳感器，具有讀數(shù)方便、轉速高、響應快、抗干擾強、分辨率寬等優(yōu)點，適用于精密工作環(huán)境。角度傳感器旋轉一周計數(shù)脈沖為16個，而光電編碼器旋轉一周計數(shù)脈沖數(shù)為數(shù)百個，精度更高，因此選擇光電編碼器進行角度測量。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 風板機構設計

風板固定在擺動軸上，光電編碼器通過聯(lián)軸器固定在擺動軸上，實現(xiàn)二者同步旋轉，直流風機和半圓儀固定在底座上，砝碼通過細繩固定在長尾夾上。

2.2 角度測量方法

角度測量通過光電編碼器實現(xiàn)，其A、B兩相輸出兩組相位差為90°的脈沖，通過零位脈沖，可獲得光電編碼器的零位參考位，從而判斷旋轉的方向。通過脈沖還可以測量轉速，選用的光電編碼器旋轉一周計數(shù)脈沖為400個，因此可根據(jù)其脈沖數(shù)計算旋轉角度，計算公式如式1所示：

（1）

2.3 風機轉速控制方法

風機轉速采用PWM控制技術，即通過改變直流風機電壓的占空比來改變平均電壓，從而控制風機轉速，STC12C5A60S2單片機的PCA模塊可以通過程序設定，使其工作于8位PWM模式，PWM頻率計算公式如式2所示：

（2）

2.4 硬件電路設計

硬件電路由單片機最小系統(tǒng)、液晶顯示電路、按鍵及無線模塊電路、聲光報警電路、風機控制電路等五部分組成。

（1）單片機最小控制系統(tǒng)以STC12C5A60S2為核心，具有手動復位和上電復位兩種形式，時鐘電路采用12MHz晶振。單片機最小控制系統(tǒng)如圖2所示。

（2）液晶顯示電路采用12864液晶串行控制，顯示內容包括：控制菜單、預設角度、檢測角度和穩(wěn)定時間等信息，液晶顯示電路如圖3所示。

（3）按鍵及無線模塊電路由4個按鍵組成，其功能分別是：選擇、確定（增加）、設置（減小）和退出，無線模塊采用PT2272-M4芯片，實現(xiàn)遙控操作，也可以根據(jù)控制要求進行手動輸入操作。

（4）聲光報警電路主要由LED、蜂鳴器和語音芯片組成。LED和蜂鳴器進行聲光報警；單片機控制語音芯片BY8301，經(jīng)數(shù)據(jù)處理控制揚聲器進行語音播報。

（5）風機控制電路：采用繼電器控制風機啟停，單片機輸出PWM信號控制風機轉速，風機控制電路圖如圖4所示。

3 軟件系統(tǒng)設計

風板控制裝置程序采用結構化編程，主要包括主程序、單角定位控制程序和雙角擺動控制程序，實現(xiàn)液晶顯示、按鍵處理、信號檢測、PWM輸出、聲光報警、信息存儲等功能。

主程序進行系統(tǒng)初始化操作，調用液晶顯示、按鍵處理、聲光報警、語音輸出、信息存儲等相關函數(shù)。

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 主要設備及儀器

數(shù)字示波器、數(shù)字萬用表、電源、量角器、秒表。

4.2 基本要求測試

單角定位控制測試數(shù)據(jù)如表1所示。

雙角擺動控制測試數(shù)據(jù)如表2所示。

4.3 發(fā)揮部分測試

單角定位控制測試數(shù)據(jù)（帶砝碼）如表3所示。

雙角擺動控制測試數(shù)據(jù)（帶砝碼）如表4所示。

4.4 拓展功能測試

風板控制裝置附加了預置角度和測量角度、穩(wěn)定停留時間等參數(shù)顯示功能，另外，還增加了語音播報、無線遙控、信息存儲和自動復位功能，使得系統(tǒng)操作更加方便靈活，測量更加直觀準確，經(jīng)測試各項附加功能均工作正常。

4.5 測試結果分析

測試結果表明設計的風板控制裝置滿足了基本控制要求和發(fā)揮部分所有要求，且具有誤差小、時間短、功能全特點。

作者單位

石家莊市第二中學高三十三班 河北省石家莊市 050004