遮風板角度控制系統(tǒng)設計及優(yōu)化

摘要：為實現遮風板角度控制，提出了一種以增強型單片機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經12位A／D轉換器TLC2543CN轉換為數字角度信號，通過單片機處理信號，顯示屏顯示實時角度和PID調節(jié)，控制遮風板轉角的設計方案。實驗結果表明，該系統(tǒng)精度較高，并能夠進行自動修正，達到設計要求。

關鍵詞：遮風板轉角；PID；MMA7260Q；控制系統(tǒng)

遮風板控制系統(tǒng)，通過對風扇轉速的控制，調節(jié)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。

1 方案的確定

遮風板控制系統(tǒng)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(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節(jié)。

2)電機驅動模塊  采用NEC公司電機控制ASSP芯片MMC-1配合1298N．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(jié)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(tǒng)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(tǒng)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(wěn)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MMA7260 Q-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(jié)風速，進而調節(jié)遮風板轉角。

角度的計算：

3 電路系統(tǒng)的構成

遮風板控制系統(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(tǒng)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(wěn)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。

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10s范圍內。

5 改進優(yōu)化

由于系統(tǒng)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(wěn)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(yōu)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(tǒng)。