下置轴风板双向风力控制系统的设计与优化

发表于:2022-12-09 09:40:05 来源:网友投稿

��zoޛ�)j馔�]��Kb�^��<��X��=c?��m5�ky 学生电子设计竞赛高职高专组I题设计任务：设计并制作一个风板控制装置。该装置能通过控制风机的风量来控制风板完成规定动作，风板控制装置参考示意图见图1。因而有了文章的设计。

1 任务分析

根据任务描述，其中的控制的逻辑关系是：控制系统→风机转速→风量→风板转动角度→控制系统。这是一个有反馈的闭环控制，适用经典的PID控制理论进行设计。

逐步分析任务要求，可以发现，首先要选择合适的风机，有足够的风力吹动阻风板；考虑到风属于流体，具有复杂动力性，容易受到干扰，接下来就要设计合适的风道，保证有稳定的风力控制阻风板；阻风板要考虑的问题一是转动灵活，二是风机容易吹动，三是能形成较稳定的风阻，因此阻风板要轻且有一定强度、要灵活支承，要有粗糙表面。

所以本设计用经典PID控制理论设计控制系统，装置结构要选择合适的风机保证足够的风力，设计合适的风道形成稳定的风力，设计制作轻且有一定强度、有灵活支承，有粗糙表面的阻风板。

2 方案设计

根据设计任务要求，本装置拟进行风机控制设计与风板及风道布局设计。

（1）风板及风道布局主要由左右风道、导向装置、风板限位装置、风板、风板转轴及支架以及量角器等组成，初步方案设计如图2所示。风道设计了两种，风道类型I：由梯形锥体聚风槽+圆弧导风板，如图2左边所示；风道类型II，由圆锥体聚风槽+圆型导风管，如图2右边所示。经过反复实验比较，最终选择风道类型I。

（2）本设计选择了风量大、风压小的小型轴流风机。因而风板材质的选择：要求较轻，又具有一定强度，设计中经过试验，选择了较轻ABS树脂材料做风板，并在其表面贴一层薄薄的泡沫层以增加风阻减少扰流。

（3）风机控制系统主要由微控制器及显示模块、角度信息采集模块、风机驱动模块、A/D 采样模块、声光提示、输入以及电源模块等构成，系统框图如图3所示。

其中主要器件的选用如下：

微控制器采用STC12C5A60S2作为主控器，该芯片是一种单时钟、机器周期（IT）单片机，具有高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，自带A/D和PWM，运算能力强，软件编程灵活，自由度大。

角度传感器选择了电位器式角度传感器，特点归零方便，线性度高，价格适中，安装方便。

风机驱动调速方式采用单片机内置PWM信号控制PWM调速风机，该方式，电路简单，控制方便。

3 系统设计

根据前面的系统方案设计了各个控制电路。

3.1 主控电路设计

控制电路设计主要包括单片机最小系统、角度信息输入、PWM信号输出、显示电路、蜂鸣报警电路、按键电路、电源电路等，电路图如图4所示。

其中：单片机最小系统由晶振电路、电源组成，晶振22.1184M；

角度传感器输入到单片机A/D输入端1脚；

PWM信号输出来自单片机PWM输出端4、5脚；

键盘、显示等电路接相应的输入输出端口。

3.2 程序设计

整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，控制系统的核心是主程序，主程序调用了5个子程序，分别是液晶显示程序、按键处理程序、角度传感器检测、中断控制程序、PWM信号发生。

系统上电后，左右风机按预设风速工作，程序流程图如图5所示。

系统上电后，左右风机按预设风速运行并进行做初始化，接着扫描键盘后判断预设值的设定是否完成，如果没有就继续扫描键盘看是否完成与设置，反之则开始通过扫描键盘判断有没有启动，没有就一直扫描，直到启动后根据角度传感器反馈信号让左右PWM信号按比例输出，对风板稳住进行计时，之后判断计时是否到5s，是的话就停机，否则就扫描键盘看是否停机，没有时程序返回到角度测量并控制左右PWM信号比例再次执行下边的程序，扫描到停止时就停机，程序结束。

4 系统测试

5 结果分析与结论

根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：

（1）风板角度能在45°～135°内预设，预设步进值为1°，摆动幅度绝对误差值≤5°，响应时间≤10s，稳定停留时间6s，误差≤1s，风板能平稳停留在终点位置。

（2）风板在45°～135°内预设两值，到达第一个预设角度≤10s，在两个预设角度之间能完成次摆动4次且周期≤5s，幅角≤ 5°，动作完成后风板平稳停留在起点位置。

（3）挂10g砝码，风板能基本完成控制要求。

综上所述，本设计达到设计要求。

参考文献

[1]王静霞.单片机应用技术（C语言版）[M].电子工业出版社，2012.

[2]徐科军.传感器与检测技术[M].电子工业出版社，2008.

[3]张华林，周晓芳.电子设计竞赛实训教程[M].北京航空航天出版社，2007.

[4]孙余凯.电子实用电路集锦[M].电子工业出版社，2008，9.