遮風板角度控制系統設計及優化

張永紅，高曉梅

（1.西安航空職業技術學院 教務處教材實踐科，陜西 西安 710089；2.西安航空職業技術學院 計算機工程系，陜西 西安 710089）

遮風板控制系統，通過對風扇轉速的控制，調節風力大小，改變遮風板轉角 θ，顯示范圍為 0～60°，分辨力為 2°，絕對誤差不大于5°；當間距d=10 cm時，通過操作鍵盤控制風力大小，控制遮風板轉角θ，要求控制過程在10 s內完成，如圖1所示。

圖1 遮風板控制系統示意圖Fig.1 Structure diagram of angle control system of wind board cover

1 方案的確定

遮風板控制系統主要由單片機控制及顯示模塊、角度信息采集模塊、電機驅動模塊、A/D采樣模塊、電源模塊等構成。

1）角度信息采集模塊 光電對管測量分辨率低，工作繁瑣且工藝要求高；電位器測量角度，歸零方便，但精確度不夠高，調節難度大，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節。

2）電機驅動模塊 采用NEC公司電機控制ASSP芯片MMC-1配合L298N，MMC-1為多通道兩相四線步進電機/直流電機控制芯片，基于NEC電子16位通用MCU固化專用程序實現，通過VART或SOI串行為主控MCU擴展專用電機控制功能，可以實現直流電機的正反轉控制和速度控制256檔，并具備過流檢測功能，工作電流2 A，可同時帶動兩個直流電機或一個步進電機。

3）A/D采樣模塊 采用TLC2543CN將角度信息的模擬量轉化為數字信號，TLC2543CN是TI公司的12位串位模數轉換器，使用開關電容逐次逼近技術完成A/D轉換過程，且其串口輸入能節省51系列單片機I/O資源，性價比、分辨率都極高。

4）控制系統的選擇 采用STC12C5A60S2作為主控器，STC系列單片機是紅星科技生產單時鐘、機器周期（IT）單片機，是高速、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 PWM。

5）顯示模塊選擇 采用TFT彩屏進行角度的顯示，彩屏性能穩定、單位解析度高，可以完成文字、圖形的顯示，畫面生動，人機界面友好。

2 分析與計算

本設計可實現角度的采集和角度的實時顯示，以TFT彩屏顯示角度的數值，傳感器采集角度信息通過單片機進行PID運算。采用MMA7260Q-3軸小量程加速傳感器采集角度信息，通過12位A/D轉換器TLC2543CN將模擬信號轉換為數字信號，經運算后在TFT顯示出角度值。當采集的角度信息與預設值不符合時，單片機會進行PID運算，控制電機調節風速，進而調節遮風板轉角。

角度的計算：

3 電路系統的構成

遮風板控制系統主電路框圖如圖2所示。

3.1 角度信息采集、信息處理系統構成

圖2 主電路框圖Fig.2 Structure diagram of main circuit

角度信息采集、信息處理系統電路原理圖如3所示。由角度信號采集電路、A/D采樣電路組成。采用MMA7260Q加速傳感器及外接屏蔽線檢測遮風板轉動角度，再由A/D轉換器TLC-2543CN完成信號轉換，屏蔽線避開電機中線圈的干擾，能隙式精密電壓源MC1403提供2.5 V的基準電壓，提高系統的分辨率。

3.2 電機驅動電路

電機驅動電路電路原理圖如圖4所示。用驅動芯片L298N作為驅動電機的主控芯片，采用7805穩壓管提供+5 V電壓，光耦隔離輸入、輸出信號，屏蔽線避開電機中線圈的干擾，提高角度測量的精確度。

3.3 控制及顯示電路

控制及顯示電路原理如圖5所示。

圖3 角度信息采集及處理系統電路圖Fig.3 Circuit diagram of angle information collecting and information processing system

圖4 電機驅動電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of motor drive circuit

圖5 控制及顯示系統電路圖Fig.5 Circuit diagram of control and display system

3.4電 源

電源系統電路原理圖如圖6所示。電源由變壓部分、濾波部分、穩壓部分組成。為整個系統提供+5 V、+12 V、+3.3 V的電壓，確保電路穩定工作。

圖6 電源系統電路Fig.6 Circuit diagram of power supply system

4 測試及結果分析

4.1 手動遮風板角度數據

手動遮風板角度數據如表1所示。

4.2 設定遮風板轉角角度數據

設定遮風板轉角角度數據如表2所示。

結果分析：

手動遮風板角度測量準確度達100%，預設遮風板角度測量時絕對誤差均小于5°，且完成時間均在10 s范圍內。

表1 手動遮風板角度數據Tab.1 Angle data of manual wind board cover

表2 遮風板轉角角度數據Tab.2 Rotating angle data of wind board cover

5 改進優化

由于系統采用高精度角度傳感器進行角度信息采集，進行角度測量時遮風板擺動幅度偏大，不夠穩定，在滿足電路性能指標的前提下，盡量選擇精度稍低的器件，并對電路設計進一步優化。

6 結束語

該方案通過預設參數與采集的反饋參數對比，能夠進行自動修正，是一套精度較高的遮風板角度控制系統。

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