下置軸風(fēng)板雙向風(fēng)力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

摘 要：為實(shí)現(xiàn)通過改變風(fēng)量控制下置軸風(fēng)板角度，經(jīng)過選擇合適的風(fēng)機(jī)保證足夠的風(fēng)力，設(shè)計(jì)合適的風(fēng)道形成穩(wěn)定的風(fēng)力，設(shè)計(jì)制作輕且有一定強(qiáng)度、有靈活支承，有粗糙表面的阻風(fēng)板，然后設(shè)計(jì)了一種以增強(qiáng)型單片機(jī)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(hào)經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字角度信號(hào)，通過單片機(jī)處理信號(hào)，顯示屏顯示實(shí)時(shí)角度和PID調(diào)節(jié)，通過PWM調(diào)速控制左右風(fēng)機(jī)的風(fēng)量來控制風(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：下置軸風(fēng)板轉(zhuǎn)角；PID；PWM調(diào)速；控制系統(tǒng)

引言

2015 年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽高職高專組I題設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)并制作一個(gè)風(fēng)板控制裝置。該裝置能通過控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)量來控制風(fēng)板完成規(guī)定動(dòng)作，風(fēng)板控制裝置參考示意圖見圖1。因而有了文章的設(shè)計(jì)。

1 任務(wù)分析

根據(jù)任務(wù)描述，其中的控制的邏輯關(guān)系是：控制系統(tǒng)→風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速→風(fēng)量→風(fēng)板轉(zhuǎn)動(dòng)角度→控制系統(tǒng)。這是一個(gè)有反饋的閉環(huán)控制，適用經(jīng)典的PID控制理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。

逐步分析任務(wù)要求，可以發(fā)現(xiàn)，首先要選擇合適的風(fēng)機(jī)，有足夠的風(fēng)力吹動(dòng)阻風(fēng)板；考慮到風(fēng)屬于流體，具有復(fù)雜動(dòng)力性，容易受到干擾，接下來就要設(shè)計(jì)合適的風(fēng)道，保證有穩(wěn)定的風(fēng)力控制阻風(fēng)板；阻風(fēng)板要考慮的問題一是轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，二是風(fēng)機(jī)容易吹動(dòng)，三是能形成較穩(wěn)定的風(fēng)阻，因此阻風(fēng)板要輕且有一定強(qiáng)度、要靈活支承，要有粗糙表面。

所以本設(shè)計(jì)用經(jīng)典PID控制理論設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，裝置結(jié)構(gòu)要選擇合適的風(fēng)機(jī)保證足夠的風(fēng)力，設(shè)計(jì)合適的風(fēng)道形成穩(wěn)定的風(fēng)力，設(shè)計(jì)制作輕且有一定強(qiáng)度、有靈活支承，有粗糙表面的阻風(fēng)板。

2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，本裝置擬進(jìn)行風(fēng)機(jī)控制設(shè)計(jì)與風(fēng)板及風(fēng)道布局設(shè)計(jì)。

（1）風(fēng)板及風(fēng)道布局主要由左右風(fēng)道、導(dǎo)向裝置、風(fēng)板限位裝置、風(fēng)板、風(fēng)板轉(zhuǎn)軸及支架以及量角器等組成，初步方案設(shè)計(jì)如圖2所示。風(fēng)道設(shè)計(jì)了兩種，風(fēng)道類型I：由梯形錐體聚風(fēng)槽+圓弧導(dǎo)風(fēng)板，如圖2左邊所示；風(fēng)道類型II，由圓錐體聚風(fēng)槽+圓型導(dǎo)風(fēng)管，如圖2右邊所示。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)比較，最終選擇風(fēng)道類型I。

（2）本設(shè)計(jì)選擇了風(fēng)量大、風(fēng)壓小的小型軸流風(fēng)機(jī)。因而風(fēng)板材質(zhì)的選擇：要求較輕，又具有一定強(qiáng)度，設(shè)計(jì)中經(jīng)過試驗(yàn)，選擇了較輕ABS樹脂材料做風(fēng)板，并在其表面貼一層薄薄的泡沫層以增加風(fēng)阻減少擾流。

（3）風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)主要由微控制器及顯示模塊、角度信息采集模塊、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、A/D 采樣模塊、聲光提示、輸入以及電源模塊等構(gòu)成，系統(tǒng)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(shí)鐘、機(jī)器周期（IT）單片機(jī)，具有高速、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和PWM，運(yùn)算能力強(qiáng)，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(diǎn)歸零方便，線性度高，價(jià)格適中，安裝方便。

風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速方式采用單片機(jī)內(nèi)置PWM信號(hào)控制PWM調(diào)速風(fēng)機(jī)，該方式，電路簡單，控制方便。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)前面的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)了各個(gè)控制電路。

3.1 主控電路設(shè)計(jì)

控制電路設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、角度信息輸入、PWM信號(hào)輸出、顯示電路、蜂鳴報(bào)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(jī)最小系統(tǒng)由晶振電路、電源組成，晶振22.1184M；

角度傳感器輸入到單片機(jī)A/D輸入端1腳；

PWM信號(hào)輸出來自單片機(jī)PWM輸出端4、5腳；

鍵盤、顯示等電路接相應(yīng)的輸入輸出端口。

3.2 程序設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實(shí)現(xiàn)的，控制系統(tǒng)的核心是主程序，主程序調(diào)用了5個(gè)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(hào)發(fā)生。

系統(tǒng)上電后，左右風(fēng)機(jī)按預(yù)設(shè)風(fēng)速工作，程序流程圖如圖5所示。

系統(tǒng)上電后，左右風(fēng)機(jī)按預(yù)設(shè)風(fēng)速運(yùn)行并進(jìn)行做初始化，接著掃描鍵盤后判斷預(yù)設(shè)值的設(shè)定是否完成，如果沒有就繼續(xù)掃描鍵盤看是否完成與設(shè)置，反之則開始通過掃描鍵盤判斷有沒有啟動(dòng)，沒有就一直掃描，直到啟動(dòng)后根據(jù)角度傳感器反饋信號(hào)讓左右PWM信號(hào)按比例輸出，對(duì)風(fēng)板穩(wěn)住進(jìn)行計(jì)時(shí)，之后判斷計(jì)時(shí)是否到5s，是的話就停機(jī)，否則就掃描鍵盤看是否停機(jī)，沒有時(shí)程序返回到角度測量并控制左右PWM信號(hào)比例再次執(zhí)行下邊的程序，掃描到停止時(shí)就停機(jī)，程序結(jié)束。

4 系統(tǒng)測試

5 結(jié)果分析與結(jié)論

根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結(jié)論：

（1）風(fēng)板角度能在45°～135°內(nèi)預(yù)設(shè)，預(yù)設(shè)步進(jìn)值為1°，擺動(dòng)幅度絕對(duì)誤差值≤5°，響應(yīng)時(shí)間≤10s，穩(wěn)定停留時(shí)間6s，誤差≤1s，風(fēng)板能平穩(wěn)停留在終點(diǎn)位置。

（2）風(fēng)板在45°～135°內(nèi)預(yù)設(shè)兩值，到達(dá)第一個(gè)預(yù)設(shè)角度≤10s，在兩個(gè)預(yù)設(shè)角度之間能完成次擺動(dòng)4次且周期≤5s，幅角≤ 5°，動(dòng)作完成后風(fēng)板平穩(wěn)停留在起點(diǎn)位置。

（3）掛10g砝碼，風(fēng)板能基本完成控制要求。

綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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