韓金玉　天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院　300350王守志　天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空與汽車(chē)學(xué)院　300350

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基于SCA100T-2傾角傳感器的風(fēng)板控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

韓金玉天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院300350
王守志天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空與汽車(chē)學(xué)院300350

【文章摘要】

風(fēng)板控制系統(tǒng)采用高精度雙軸傾角傳感器SCA100T-2實(shí)時(shí)檢測(cè)帆板偏轉(zhuǎn)角度,并由單片機(jī)STC12C5A60S2采集處理。數(shù)據(jù)經(jīng)8位ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后,為減少誤差采用數(shù)字平均濾波算法處理數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通過(guò)自適應(yīng)PID控制算法調(diào)節(jié)PWM信號(hào)，控制兩臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)精確、平穩(wěn)控制風(fēng)板翻轉(zhuǎn)到設(shè)定角度。

【關(guān)鍵詞】

風(fēng)板控制系統(tǒng)；傾角傳感器；數(shù)字濾波算法；自適應(yīng)PID；PWM信號(hào)

0　引言

2015年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽試題I組題目是風(fēng)板的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作，要求對(duì)系統(tǒng)中的軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)速控制，使得風(fēng)板翻轉(zhuǎn)角度（控制角度在45°～135°之間設(shè)定）在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)快速、穩(wěn)定達(dá)到預(yù)定的要求。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與制作

圖1　風(fēng)板控制系統(tǒng)框圖

圖2　單片機(jī)模塊和液晶顯示模塊

根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，風(fēng)板控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由單片機(jī)模塊、角度檢測(cè)模塊、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、A/D 模塊、LCD顯示模塊、聲光提示模塊、按鍵模塊等構(gòu)成。通過(guò)按鍵設(shè)定風(fēng)板的初始位置，由單片機(jī)調(diào)整PWM脈沖調(diào)寬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，并由單片機(jī)把設(shè)定角度顯示在LCD液晶顯示屏上。安裝在風(fēng)板上的角度傳感器將實(shí)時(shí)檢測(cè)到的信號(hào)送入ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后得到角度值，并實(shí)時(shí)顯示到液晶屏上。同時(shí)根據(jù)風(fēng)板旋轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)角度值，在軟件設(shè)計(jì)中利用自適應(yīng)PID控制算法對(duì)PWM調(diào)速，使帆板迅速、穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)到設(shè)定的角度，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

2　硬件模塊的組成

2.1單片機(jī)模塊

本系統(tǒng)采用的單片機(jī)是深圳宏晶科技公司的STC12C5A60S2單片機(jī)，電源電壓（5.5～3.3V），片內(nèi)含60kb的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀存儲(chǔ)器，8通道10位AD轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)25萬(wàn)次/秒。其中，P1口作為普通I/ O口使用，也是片內(nèi)8路AD轉(zhuǎn)換器的輸入端口，檢測(cè)帆板轉(zhuǎn)動(dòng)角度值。本系統(tǒng)將單片機(jī)的P0端口和LCD1602與液晶顯示，顯示風(fēng)板的設(shè)定角度值與實(shí)時(shí)角度。

2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

軸流風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)采用LM298N芯片控制，該芯片是專(zhuān)用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。其內(nèi)部含有H 橋的高電壓、大電流全橋驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平控制，具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響下允許或禁止。器件有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作。芯片最大工作電流2.5A，額定功率25W。

2.3角度傳感器

角度傳感器有旋轉(zhuǎn)編碼器、雙軸傾角傳感器等系列，旋轉(zhuǎn)編碼器精度高、安裝工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴；SCAT100T系列的雙軸傾角傳感器，精度高，線(xiàn)性度好，價(jià)格便宜；所以選擇SCAT100T系列的雙軸傾角傳感器，根據(jù)測(cè)量角度的范圍選擇SCA100T-D02型號(hào)的傾角傳感器。

風(fēng)板傾斜角變化范圍是45°～135°，而SCA100T-D02顯示的角度范圍是，因此在采集的角度基礎(chǔ)上增加90°，則SCA100T-D02測(cè)量角度范圍為0°～180°。由于風(fēng)板的傾斜方向，決定了角度傳感器采用Y軸傾斜計(jì)算法來(lái)計(jì)算帆板的偏轉(zhuǎn)角度。所應(yīng)用的角度轉(zhuǎn)化公式為：。安裝角度與風(fēng)板垂直，安裝原理如下圖3所示。

3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)算法

3.1數(shù)字濾波算法

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，由于傳感器安裝在風(fēng)板上，風(fēng)板的低頻震動(dòng)，包括傳感器在內(nèi)的各個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)硬件電路存在電磁、濾波、噪音的干擾，影響采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；如果只單純采用改變硬件電路難以根本解決問(wèn)題；但是結(jié)合軟件抗干擾的數(shù)字濾波算法可以使問(wèn)題很容易得到解決，克服和彌補(bǔ)了硬件本身的缺陷和弱點(diǎn)。在實(shí)際編程過(guò)程中采用了數(shù)字濾波算法，由單片機(jī)的A/D端口對(duì)角度值分5組反復(fù)采樣25次，每一組去除最大值、最小值，剩余取平均值。將5組的平均值再除去最大值和最小值，再次求平均值，得到的便是穩(wěn)定的角度值。

3.2自適應(yīng)PID控制算法

圖3　角度傳感器Y軸的安裝原理圖

圖4　自適應(yīng)PID控制器

由于在風(fēng)板控制系統(tǒng)中的被控對(duì)象具有時(shí)變不確定性、純滯后等特征，控制過(guò)程機(jī)理較復(fù)雜,傳統(tǒng)的PID控制參數(shù)整定方法顯現(xiàn)出很大的局限性。因此本文采用自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法，使風(fēng)板迅速穩(wěn)定達(dá)到預(yù)設(shè)的角度。整個(gè)的控制過(guò)程為首先預(yù)設(shè)角度給單片機(jī),單片機(jī)對(duì)風(fēng)板進(jìn)行翻轉(zhuǎn)控制；其次單片機(jī)通過(guò)角度傳感器對(duì)風(fēng)板實(shí)時(shí)角度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將其信息傳輸至控制器；再次控制器根據(jù)預(yù)設(shè)角度和實(shí)時(shí)檢測(cè)角度進(jìn)行判斷決策；最后控制器通過(guò)參數(shù)的自適應(yīng)整定,得到控制信號(hào)，從而得出系統(tǒng)在誤差允許范圍內(nèi)相應(yīng)的PWM占空比，驅(qū)動(dòng)風(fēng)板轉(zhuǎn)過(guò)穩(wěn)定的角度,自適應(yīng)控制器的原理圖如圖4所示。

4　結(jié)論

本系統(tǒng)以STC89C52RC 單片機(jī)為核心控制部件，利用SCA100T-D02型號(hào)的傾角傳感器檢測(cè)風(fēng)板角度的變化，事實(shí)證明此傳感器的線(xiàn)性度好，安裝方便，測(cè)量角度精確；系統(tǒng)算法采用自適應(yīng)PID控制算法，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)板翻轉(zhuǎn)角度的控制。

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韓金玉，1978.10，女，河北邢臺(tái)人，天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，碩士研究生，主要從事電氣自動(dòng)化技術(shù)研究與教學(xué)。

【作者簡(jiǎn)介】