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摘 要:随着天气的转热,很多家庭普遍使用挂壁式空调来保证家里空气的清新和新鲜,而空调的性能好坏是由其送风量和送风角度决定的,因此设计一种控制电路来调节风量和角度很有必要。采用STC89C52RC单片机作为中央处理器,通过WDD35D4角位移传感器采集导风板的倾斜角度,经模数转换后,单片机对检测角度与设定角度进行比较,并应用比例-积分-微分(Proportion Integration Differentiation, PID)算法进行处理,再以运算结果调整脉宽调制(Pulse-Width Modulation, PWM)信号,作用于直流风扇来调节风扇的风力。实验表明,在5 s内可以将导风板稳定停留在预置位置,误差范围不超过5°,且摆动的周期不大于5 s。该系统可以有效调整导风板的角度,减小误差,确保空调的送风范围和家居环境的舒适性。
关键词:单片机;导风板;PID算法;PWM
1 系统总体方案
本系統主要有单片机最小系统、供电电路、角度检测电路、风机驱动电路、显示电路等。该系统采用STC89C52RC单片机作为控制核心[1-2],通过WDD35D4角位移传感器实时采集导风板的倾斜角度[3],采集到的电信号经A/D转换送入单片机,单片机对其进行数据处理,并调整输出PWM波形,以控制风机的转动[4]。系统总体方案如图1所示。
2 系统硬件设计
2.1 供电电路
变压器、桥式整流电路及电容组成了该系统的供电电路,其工作原理是变压器对220 V的电压首先进行降压,然后经4个二极管组成的桥式整流电路将交流电转变为直流电,再经电容滤波后,把它转换为5 V电压,确保电路的正常稳定工作[5]。供电电路如图2所示。
2.2 角度检测电路
为检测导风板角度变化,选用高精度角位移传感器WDD35D4芯片作为检测角度传感器,使用单片机进行数据采集和处理[6]。角度检测电流如图3所示。
2.3 风机驱动电路
风机驱动电路采用L298N芯片,工作时单片机的定时器产生PWM波,通过调整PWM的占空比,调节输出电压,进而可以控制风机转速的快慢[7]。风机驱动电路如图4所示。
2.4 显示电路
显示电路采用LCD12864芯片,该芯片是一种图形点阵的液晶显示器,主要由行或列的驱动器以及128*64的全点阵液晶显示器组成,可以相对完成更多的显示内容,包括文字、数据、图形等。显示电路如图5所示。
3 系统软件设计
在直流电源US稳定的情况下,PWM通过控制开关器件的通断,得到一系列幅度相同而宽度不同的脉冲,通过调节占空比可以达到调节直流电机电枢电压的目的。PWM调制公式如下:
其中,Ud是直流电机的平均电源,T是开关周期,ton是导通时间,ρ是占空比。
该系统采用增量式PID算法来实现角度的控制[8]。根据采集的数据与设定值比较得出偏差,对偏差进行PID运算,最终利用运算结果控制PWM脉冲的占空比来实现对直流电机电枢电压的控制,实现电机转速的调节[9]。增量式PID算法公式如下:
其中,Kp是比例系数,Ki是积分系数,Kd是微分系数。
在上述理论的基础上,对系统的软件部分进行了设计,主程序流程图如图6所示。
4 实验结果
测试一:首先将导风板的角度进行预置,设置在45°~135°之间,由起点开始,10 s内到达第一个预置角度,稳定停留5 s,然后回到终点。测试结果如表1所示。
测试二:首先从终点开始,10 s内到达第一个预置角度,然后到达第二个预置角度,之后再到达第一个预置角度,到达第二个,导风板往返3次。测试结果如表2所示。
5 结语
该系统在任务一中导风板的过渡时间不大于10 s,控制的角度的误差不大于5°,同时在预置角度上停留的时间大于或等于5 s,误差范围在2 s以内。在任务二中,10 s内导风板到达第一个预置的角度,然后到达第二个预置角度,在它们中间做3次摆动,摆动的周期不大于5 s,摆动时候的幅角不大于5°,动作完成后导风板还是回到起始位置上。仿真测试结果显示,该系统可以完成设定的动作,有效调整导风板的角度,减小误差,进而可以调整空调系统风量,确保了空调的送风范围和家居环境的舒适性。
[参考文献]
[1]胡汉才.单片机原理及接口技术(第3版)[M].北京:清华大学出版社,2010.
[2]刘丽华.基于STC89C52设备风扇控制系统设计与实现[J].辽宁科技学院学报,2017(6):5-6.
[3]李芳芳,彭琳茹,程航.基于单片机的风板控制装置的设计与实现[J].机械研究与应用,2016(4):184-186.
[4]丁镇生.电子电路设计与应用手册[M].北京:电子工业出版社,2013.
[5]黄智伟.全国大学生电子竞赛常用电路模块制作[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011.
[6]冯笑,牛小伟.基于STC125A60S2的风板自动控制装置设计[J].商丘职业技术学院学报,2016(5):78-81.
[7]郭凯,黄建清,任英杰,等.基于51单片机的帆板系统的控制设计[J].农业网络信息,2017(257):107-112.
[8]郭俊葳,周磊.基于增量PID算法的智能帆板系统[J].电子世界,2018(10):121-123.
[9]冯笑,江兴盟.一种风板自动控制装置设计及测试[J].石家庄铁路职业技术学院学报,2016(4):75-79.
(编辑 何 琳)
关键词:单片机;导风板;PID算法;PWM
1 系统总体方案
本系統主要有单片机最小系统、供电电路、角度检测电路、风机驱动电路、显示电路等。该系统采用STC89C52RC单片机作为控制核心[1-2],通过WDD35D4角位移传感器实时采集导风板的倾斜角度[3],采集到的电信号经A/D转换送入单片机,单片机对其进行数据处理,并调整输出PWM波形,以控制风机的转动[4]。系统总体方案如图1所示。
2 系统硬件设计
2.1 供电电路
变压器、桥式整流电路及电容组成了该系统的供电电路,其工作原理是变压器对220 V的电压首先进行降压,然后经4个二极管组成的桥式整流电路将交流电转变为直流电,再经电容滤波后,把它转换为5 V电压,确保电路的正常稳定工作[5]。供电电路如图2所示。
2.2 角度检测电路
为检测导风板角度变化,选用高精度角位移传感器WDD35D4芯片作为检测角度传感器,使用单片机进行数据采集和处理[6]。角度检测电流如图3所示。
2.3 风机驱动电路
风机驱动电路采用L298N芯片,工作时单片机的定时器产生PWM波,通过调整PWM的占空比,调节输出电压,进而可以控制风机转速的快慢[7]。风机驱动电路如图4所示。
2.4 显示电路
显示电路采用LCD12864芯片,该芯片是一种图形点阵的液晶显示器,主要由行或列的驱动器以及128*64的全点阵液晶显示器组成,可以相对完成更多的显示内容,包括文字、数据、图形等。显示电路如图5所示。
3 系统软件设计
在直流电源US稳定的情况下,PWM通过控制开关器件的通断,得到一系列幅度相同而宽度不同的脉冲,通过调节占空比可以达到调节直流电机电枢电压的目的。PWM调制公式如下:
其中,Ud是直流电机的平均电源,T是开关周期,ton是导通时间,ρ是占空比。
该系统采用增量式PID算法来实现角度的控制[8]。根据采集的数据与设定值比较得出偏差,对偏差进行PID运算,最终利用运算结果控制PWM脉冲的占空比来实现对直流电机电枢电压的控制,实现电机转速的调节[9]。增量式PID算法公式如下:
其中,Kp是比例系数,Ki是积分系数,Kd是微分系数。
在上述理论的基础上,对系统的软件部分进行了设计,主程序流程图如图6所示。
4 实验结果
测试一:首先将导风板的角度进行预置,设置在45°~135°之间,由起点开始,10 s内到达第一个预置角度,稳定停留5 s,然后回到终点。测试结果如表1所示。
测试二:首先从终点开始,10 s内到达第一个预置角度,然后到达第二个预置角度,之后再到达第一个预置角度,到达第二个,导风板往返3次。测试结果如表2所示。
5 结语
该系统在任务一中导风板的过渡时间不大于10 s,控制的角度的误差不大于5°,同时在预置角度上停留的时间大于或等于5 s,误差范围在2 s以内。在任务二中,10 s内导风板到达第一个预置的角度,然后到达第二个预置角度,在它们中间做3次摆动,摆动的周期不大于5 s,摆动时候的幅角不大于5°,动作完成后导风板还是回到起始位置上。仿真测试结果显示,该系统可以完成设定的动作,有效调整导风板的角度,减小误差,进而可以调整空调系统风量,确保了空调的送风范围和家居环境的舒适性。
[参考文献]
[1]胡汉才.单片机原理及接口技术(第3版)[M].北京:清华大学出版社,2010.
[2]刘丽华.基于STC89C52设备风扇控制系统设计与实现[J].辽宁科技学院学报,2017(6):5-6.
[3]李芳芳,彭琳茹,程航.基于单片机的风板控制装置的设计与实现[J].机械研究与应用,2016(4):184-186.
[4]丁镇生.电子电路设计与应用手册[M].北京:电子工业出版社,2013.
[5]黄智伟.全国大学生电子竞赛常用电路模块制作[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011.
[6]冯笑,牛小伟.基于STC125A60S2的风板自动控制装置设计[J].商丘职业技术学院学报,2016(5):78-81.
[7]郭凯,黄建清,任英杰,等.基于51单片机的帆板系统的控制设计[J].农业网络信息,2017(257):107-112.
[8]郭俊葳,周磊.基于增量PID算法的智能帆板系统[J].电子世界,2018(10):121-123.
[9]冯笑,江兴盟.一种风板自动控制装置设计及测试[J].石家庄铁路职业技术学院学报,2016(4):75-79.
(编辑 何 琳)