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；信號檢測部分實現角度測量；液晶顯示控制菜單、預設和檢測角度、穩定時間等信息，系統還能進行聲光及語音報警。經測試該系統滿足控制要求，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電機速度控制，其優點是控制方便、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字脈沖信號的旋轉式傳感器，具有讀數方便、轉速高、響應快、抗干擾強、分辨率寬等優點，適用于精密工作環境。角度傳感器旋轉一周計數脈沖為16個，而光電編碼器旋轉一周計數脈沖數為數百個，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，光電編碼器通過聯軸器固定在擺動軸上，實現二者同步旋轉，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，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脈沖為400個，因此可根據其脈沖數計算旋轉角度，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、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，實現遙控操作，也可以根據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，經數據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。

4 系統測試與分析

4.1 主要設備及儀器

數字示波器、數字萬用表、電源、量角器、秒表。

4.2 基本要求測試

單角定位控制測試數據如表1所示。

雙角擺動控制測試數據如表2所示。

4.3 發揮部分測試

單角定位控制測試數據（帶砝碼）如表3所示。

雙角擺動控制測試數據（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、穩定停留時間等參數顯示功能，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，使得系統操作更加方便靈活，測量更加直觀準確，經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