左笑雪

摘 要本裝置由風(fēng)板、控制電路、信號檢測和報(bào)警顯示四部分組成?？刂齐娐方邮詹⑻幚戆存I、光電編碼器等輸入信號，通過PWM技術(shù)控制風(fēng)板轉(zhuǎn)角；信號檢測部分實(shí)現(xiàn)角度測量；液晶顯示控制菜單、預(yù)設(shè)和檢測角度、穩(wěn)定時(shí)間等信息，系統(tǒng)還能進(jìn)行聲光及語音報(bào)警。經(jīng)測試該系統(tǒng)滿足控制要求，且具有時(shí)間短、誤差小、功能全等特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)板控制 單片機(jī) PWM 光電編碼器 語音

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為了能夠完成對風(fēng)板的擺動(dòng)角度、停留位置及時(shí)間的控制，設(shè)計(jì)的風(fēng)板控制裝置外部結(jié)構(gòu)如圖1所示，硬件系統(tǒng)由風(fēng)板、控制電路、信號檢測和報(bào)警顯示四部分組成。

1.1 控制芯片選擇

控制芯片選擇STC12C5A60S2單片機(jī)。該芯片是單時(shí)鐘、高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾8位單片機(jī)。具有60K ROM、1028B RAM、4個(gè)并口、2個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和2個(gè)全雙工串口，內(nèi)部還集成專用復(fù)位電路和看門狗電路、2路PWM輸出、8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換器。由于STC12C5A60S2具有2路PWM輸出，指令代碼完全兼容8051，且運(yùn)行速度快，易于實(shí)現(xiàn)直流風(fēng)機(jī)調(diào)速控制。

1.2 直流風(fēng)機(jī)調(diào)速方案選擇

調(diào)速方案選擇PWM調(diào)速。它是利用數(shù)字輸出對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，常用于直流負(fù)載回路、燈具調(diào)光或直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速。PWM調(diào)速通過單片機(jī)輸出占空比不同的脈沖實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度控制，其優(yōu)點(diǎn)是控制方便、精度較高，所以選擇PWM調(diào)速。

1.3 角度測量模塊選擇

角度測量模塊選擇光電編碼器。光電編碼器是一種將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換為一連串?dāng)?shù)字脈沖信號的旋轉(zhuǎn)式傳感器，具有讀數(shù)方便、轉(zhuǎn)速高、響應(yīng)快、抗干擾強(qiáng)、分辨率寬等優(yōu)點(diǎn)，適用于精密工作環(huán)境。角度傳感器旋轉(zhuǎn)一周計(jì)數(shù)脈沖為16個(gè)，而光電編碼器旋轉(zhuǎn)一周計(jì)數(shù)脈沖數(shù)為數(shù)百個(gè)，精度更高，因此選擇光電編碼器進(jìn)行角度測量。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)板機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)板固定在擺動(dòng)軸上，光電編碼器通過聯(lián)軸器固定在擺動(dòng)軸上，實(shí)現(xiàn)二者同步旋轉(zhuǎn)，直流風(fēng)機(jī)和半圓儀固定在底座上，砝碼通過細(xì)繩固定在長尾夾上。

2.2 角度測量方法

角度測量通過光電編碼器實(shí)現(xiàn)，其A、B兩相輸出兩組相位差為90°的脈沖，通過零位脈沖，可獲得光電編碼器的零位參考位，從而判斷旋轉(zhuǎn)的方向。通過脈沖還可以測量轉(zhuǎn)速，選用的光電編碼器旋轉(zhuǎn)一周計(jì)數(shù)脈沖為400個(gè)，因此可根據(jù)其脈沖數(shù)計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度，計(jì)算公式如式1所示：

（1）

2.3 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速采用PWM控制技術(shù)，即通過改變直流風(fēng)機(jī)電壓的占空比來改變平均電壓，從而控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，STC12C5A60S2單片機(jī)的PCA模塊可以通過程序設(shè)定，使其工作于8位PWM模式，PWM頻率計(jì)算公式如式2所示：

（2）

2.4 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路由單片機(jī)最小系統(tǒng)、液晶顯示電路、按鍵及無線模塊電路、聲光報(bào)警電路、風(fēng)機(jī)控制電路等五部分組成。

（1）單片機(jī)最小控制系統(tǒng)以STC12C5A60S2為核心，具有手動(dòng)復(fù)位和上電復(fù)位兩種形式，時(shí)鐘電路采用12MHz晶振。單片機(jī)最小控制系統(tǒng)如圖2所示。

（2）液晶顯示電路采用12864液晶串行控制，顯示內(nèi)容包括：控制菜單、預(yù)設(shè)角度、檢測角度和穩(wěn)定時(shí)間等信息，液晶顯示電路如圖3所示。

（3）按鍵及無線模塊電路由4個(gè)按鍵組成，其功能分別是：選擇、確定（增加）、設(shè)置（減?。┖屯顺觯瑹o線模塊采用PT2272-M4芯片，實(shí)現(xiàn)遙控操作，也可以根據(jù)控制要求進(jìn)行手動(dòng)輸入操作。

（4）聲光報(bào)警電路主要由LED、蜂鳴器和語音芯片組成。LED和蜂鳴器進(jìn)行聲光報(bào)警；單片機(jī)控制語音芯片BY8301，經(jīng)數(shù)據(jù)處理控制揚(yáng)聲器進(jìn)行語音播報(bào)。

（5）風(fēng)機(jī)控制電路：采用繼電器控制風(fēng)機(jī)啟停，單片機(jī)輸出PWM信號控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)控制電路圖如圖4所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)板控制裝置程序采用結(jié)構(gòu)化編程，主要包括主程序、單角定位控制程序和雙角擺動(dòng)控制程序，實(shí)現(xiàn)液晶顯示、按鍵處理、信號檢測、PWM輸出、聲光報(bào)警、信息存儲(chǔ)等功能。

主程序進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，調(diào)用液晶顯示、按鍵處理、聲光報(bào)警、語音輸出、信息存儲(chǔ)等相關(guān)函數(shù)。

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 主要設(shè)備及儀器

數(shù)字示波器、數(shù)字萬用表、電源、量角器、秒表。

4.2 基本要求測試

單角定位控制測試數(shù)據(jù)如表1所示。

雙角擺動(dòng)控制測試數(shù)據(jù)如表2所示。

4.3 發(fā)揮部分測試

單角定位控制測試數(shù)據(jù)（帶砝碼）如表3所示。

雙角擺動(dòng)控制測試數(shù)據(jù)（帶砝碼）如表4所示。

4.4 拓展功能測試

風(fēng)板控制裝置附加了預(yù)置角度和測量角度、穩(wěn)定停留時(shí)間等參數(shù)顯示功能，另外，還增加了語音播報(bào)、無線遙控、信息存儲(chǔ)和自動(dòng)復(fù)位功能，使得系統(tǒng)操作更加方便靈活，測量更加直觀準(zhǔn)確，經(jīng)測試各項(xiàng)附加功能均工作正常。

4.5 測試結(jié)果分析

測試結(jié)果表明設(shè)計(jì)的風(fēng)板控制裝置滿足了基本控制要求和發(fā)揮部分所有要求，且具有誤差小、時(shí)間短、功能全特點(diǎn)。

作者單位

石家莊市第二中學(xué)高三十三班 河北省石家莊市 050004