遮风板角度控制系统设计及优化

摘要：为实现遮风板角度控制，提出了一种以增强型单片机STC12C5A60S2为主控电路，3．0英寸TFT彩屏为显示单元，MMA7260Q加速传感器采集的模拟信号经12位A／D转换器TLC2543CN转换为数字角度信号，通过单片机处理信号，显示屏显示实时角度和PID调节，控制遮风板转角的设计方案。实验结果表明，该系统精度较高，并能够进行自动修正，达到设计要求。
关键词：遮风板转角；PID；MMA7260Q；控制系统

    遮风板控制系统，通过对风扇转速的控制，调节风力大小，改变遮风板转角θ，显示范围为0～60°，分辨力为2°，绝对误差不大于5°；当间距d=10 cm时，通过操作键盘控制风力大小，控制遮风板转角θ，要求控制过程在10 s内完成，如图1所示。

1 方案的确定
    遮风板控制系统主要由单片机控制及显示模块、角度信息采集模块、电机驱动模块、A／D采样模块、电源模块等构成。
    1)角度信息采集模块  光电对管测量分辨率低，工作繁琐且工艺要求高；电位器测量角度，归零方便，但精确度不够高，调节难度大，温漂较大。采用MMA7260Q-3轴小量程加速传感器具有低功耗、低噪音、分辨率高精度高且能多角度调节。
    2)电机驱动模块  采用NEC公司电机控制ASSP芯片MMC-1配合1298N．MMC-1为多通道两相四线步进电机／直流电机控制芯片，基于NEC电子16位通用MCU固化专用程序实现，通过VART或SOI串行为主控MCU扩展专用电机控制功能，可以实现直流电机的正反转控制和速度控制256档，并具备过流检测功能，工作电流2 A，可同时带动两个直流电机或一个步进电机。
    3)A／D采样模块  采用TLC2543CN将角度信息的模拟量转化为数字信号，TLC2543CN是TI公司的12位串位模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A／D转换过程，且其串口输入能节省51系列单片机I／O资源，性价比、分辨率都极高。
    4)控制系统的选择  采用STC12C5A60S2作为主控器，STC系列单片机是红星科技生产单时钟、机器周期(IT)单片机，是高速、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 PWM。
    5)显示模块选择  采用TFT彩屏进行角度的显示，彩屏性能稳定、单位解析度高，可以完成文字、图形的显示，画面生动，人机界面友好。

2 分析与计算
    本设计可实现角度的采集和角度的实时显示，以TFT彩屏显示角度的数值，传感器采集角度信息通过单片机进行PID运算。采用MMA7260 Q-3轴小量程加速传感器采集角度信息，通过12位A／D转换器TLC2543CN将模拟信号转换为数字信号，经运算后在TFT显示出角度值。当采集的角度信息与预设值不符合时，单片机会进行PID运算，控制电机调节风速，进而调节遮风板转角。
    角度的计算：
   

3 电路系统的构成
    遮风板控制系统主电路框图如图2所示。

3．1 角度信息采集、信息处理系统构成
    角度信息采集、信息处理系统电路原理图如3所示。由角度信号采集电路、A／D采样电路组成。采用MMA72600加速传感器及外接屏蔽线检测遮风板转动角度，再由A／D转换器TLC-2543CN完成信号转换，屏蔽线避开电机中线圈的干扰，能隙式精密电压源MC1403提供2．5 V的基准电压，提高系统的分辨率。

3．2 电机驱动电路
    电机驱动电路电路原理图如图4所示。用驱动芯片L298N作为驱动电机的主控芯片，采用7805稳压管提供+5 V电压，光耦隔离输入、输出信号，屏蔽线避开电机中线圈的干扰，提高角度测量的精确度。
3．3 控制及显示电路
    控制及显示电路原理如图5所示。

3．4 电源
    电源系统电路原理图如图6所示。电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供+5 V、+12 V、+3．3 V的电压，确保电路稳定工作。

4 测试及结果分析
4．1 手动遮风板角度数据
    手动遮风板角度数据如表1所示。

4．2 设定遮风板转角角度数据
    设定遮风板转角角度数据如表2所示。
    结果分析：
    手动遮风板角度测量准确度达100％，预设遮风板角度测量时绝对误差均小于5°，且完成时间均在10s范围内。

5 改进优化
    由于系统采用高精度角度传感器进行角度信息采集，进行角度测量时遮风板摆动幅度偏大，不够稳定，在满足电路性能指标的前提下，尽量选择精度稍低的器件，并对电路设计进一步优化。

6 结束语
    该方案通过预设参数与采集的反馈参数对比，能够进行自动修正，是一套精度较高的遮风板角度控制系统。