遮風(fēng)板角度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

摘要：為實(shí)現(xiàn)遮風(fēng)板角度控制，提出了一種以增強(qiáng)型單片機(jī)STC12C5A60S2為主控電路，3．0英寸TFT彩屏為顯示單元，MMA7260Q加速傳感器采集的模擬信號(hào)經(jīng)12位A／D轉(zhuǎn)換器TLC2543CN轉(zhuǎn)換為數(shù)字角度信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)處理信號(hào)，顯示屏顯示實(shí)時(shí)角度和PID調(diào)節(jié)，控制遮風(fēng)板轉(zhuǎn)角的設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)精度較高，并能夠進(jìn)行自動(dòng)修正，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：遮風(fēng)板轉(zhuǎn)角；PID；MMA7260Q；控制系統(tǒng)

    遮風(fēng)板控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制，調(diào)節(jié)風(fēng)力大小，改變遮風(fēng)板轉(zhuǎn)角θ，顯示范圍為0～60°，分辨力為2°，絕對(duì)誤差不大于5°；當(dāng)間距d=10 cm時(shí)，通過(guò)操作鍵盤控制風(fēng)力大小，控制遮風(fēng)板轉(zhuǎn)角θ，要求控制過(guò)程在10 s內(nèi)完成，如圖1所示。

1 方案的確定
    遮風(fēng)板控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制及顯示模塊、角度信息采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、A／D采樣模塊、電源模塊等構(gòu)成。
    1)角度信息采集模塊  光電對(duì)管測(cè)量分辨率低，工作繁瑣且工藝要求高；電位器測(cè)量角度，歸零方便，但精確度不夠高，調(diào)節(jié)難度大，溫漂較大。采用MMA7260Q-3軸小量程加速傳感器具有低功耗、低噪音、分辨率高精度高且能多角度調(diào)節(jié)。
    2)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊  采用NEC公司電機(jī)控制ASSP芯片MMC-1配合1298N．MMC-1為多通道兩相四線步進(jìn)電機(jī)／直流電機(jī)控制芯片，基于NEC電子16位通用MCU固化專用程序?qū)崿F(xiàn)，通過(guò)VART或SOI串行為主控MCU擴(kuò)展專用電機(jī)控制功能，可以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制和速度控制256檔，并具備過(guò)流檢測(cè)功能，工作電流2 A，可同時(shí)帶動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)或一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。
    3)A／D采樣模塊  采用TLC2543CN將角度信息的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，TLC2543CN是TI公司的12位串位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A／D轉(zhuǎn)換過(guò)程，且其串口輸入能節(jié)省51系列單片機(jī)I／O資源，性價(jià)比、分辨率都極高。
    4)控制系統(tǒng)的選擇  采用STC12C5A60S2作為主控器，STC系列單片機(jī)是紅星科技生產(chǎn)單時(shí)鐘、機(jī)器周期(IT)單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(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，自帶A／D PWM。
    5)顯示模塊選擇  采用TFT彩屏進(jìn)行角度的顯示，彩屏性能穩(wěn)定、單位解析度高，可以完成文字、圖形的顯示，畫面生動(dòng)，人機(jī)界面友好。

2 分析與計(jì)算
    本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)角度的采集和角度的實(shí)時(shí)顯示，以TFT彩屏顯示角度的數(shù)值，傳感器采集角度信息通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行PID運(yùn)算。采用MMA7260 Q-3軸小量程加速傳感器采集角度信息，通過(guò)12位A／D轉(zhuǎn)換器TLC2543CN將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算后在TFT顯示出角度值。當(dāng)采集的角度信息與預(yù)設(shè)值不符合時(shí)，單片機(jī)會(huì)進(jìn)行PID運(yùn)算，控制電機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)遮風(fēng)板轉(zhuǎn)角。
    角度的計(jì)算：
   

3 電路系統(tǒng)的構(gòu)成
    遮風(fēng)板控制系統(tǒng)主電路框圖如圖2所示。

3．1 角度信息采集、信息處理系統(tǒng)構(gòu)成
    角度信息采集、信息處理系統(tǒng)電路原理圖如3所示。由角度信號(hào)采集電路、A／D采樣電路組成。采用MMA72600加速傳感器及外接屏蔽線檢測(cè)遮風(fēng)板轉(zhuǎn)動(dòng)角度，再由A／D轉(zhuǎn)換器TLC-2543CN完成信號(hào)轉(zhuǎn)換，屏蔽線避開電機(jī)中線圈的干擾，能隙式精密電壓源MC1403提供2．5 V的基準(zhǔn)電壓，提高系統(tǒng)的分辨率。

3．2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
    電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電路原理圖如圖4所示。用驅(qū)動(dòng)芯片L298N作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主控芯片，采用7805穩(wěn)壓管提供+5 V電壓，光耦隔離輸入、輸出信號(hào)，屏蔽線避開電機(jī)中線圈的干擾，提高角度測(cè)量的精確度。
3．3 控制及顯示電路
    控制及顯示電路原理如圖5所示。

3．4 電源
    電源系統(tǒng)電路原理圖如圖6所示。電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個(gè)系統(tǒng)提供+5 V、+12 V、+3．3 V的電壓，確保電路穩(wěn)定工作。

4 測(cè)試及結(jié)果分析
4．1 手動(dòng)遮風(fēng)板角度數(shù)據(jù)
    手動(dòng)遮風(fēng)板角度數(shù)據(jù)如表1所示。

4．2 設(shè)定遮風(fēng)板轉(zhuǎn)角角度數(shù)據(jù)
    設(shè)定遮風(fēng)板轉(zhuǎn)角角度數(shù)據(jù)如表2所示。
    結(jié)果分析：
    手動(dòng)遮風(fēng)板角度測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)100％，預(yù)設(shè)遮風(fēng)板角度測(cè)量時(shí)絕對(duì)誤差均小于5°，且完成時(shí)間均在10s范圍內(nèi)。

5 改進(jìn)優(yōu)化
    由于系統(tǒng)采用高精度角度傳感器進(jìn)行角度信息采集，進(jìn)行角度測(cè)量時(shí)遮風(fēng)板擺動(dòng)幅度偏大，不夠穩(wěn)定，在滿足電路性能指標(biāo)的前提下，盡量選擇精度稍低的器件，并對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化。

6 結(jié)束語(yǔ)
    該方案通過(guò)預(yù)設(shè)參數(shù)與采集的反饋參數(shù)對(duì)比，能夠進(jìn)行自動(dòng)修正，是一套精度較高的遮風(fēng)板角度控制系統(tǒng)。