王小會(huì) 李曉青 薛延剛

摘 要：隨著天氣的轉(zhuǎn)熱，很多家庭普遍使用掛壁式空調(diào)來保證家里空氣的清新和新鮮，而空調(diào)的性能好壞是由其送風(fēng)量和送風(fēng)角度決定的，因此設(shè)計(jì)一種控制電路來調(diào)節(jié)風(fēng)量和角度很有必要。采用STC89C52RC單片機(jī)作為中央處理器，通過WDD35D4角位移傳感器采集導(dǎo)風(fēng)板的傾斜角度，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，單片機(jī)對檢測角度與設(shè)定角度進(jìn)行比較，并應(yīng)用比例-積分-微分（Proportion Integration Differentiation， PID）算法進(jìn)行處理，再以運(yùn)算結(jié)果調(diào)整脈寬調(diào)制（Pulse-Width Modulation， PWM）信號，作用于直流風(fēng)扇來調(diào)節(jié)風(fēng)扇的風(fēng)力。實(shí)驗(yàn)表明，在5 s內(nèi)可以將導(dǎo)風(fēng)板穩(wěn)定停留在預(yù)置位置，誤差范圍不超過5°，且擺動(dòng)的周期不大于5 s。該系統(tǒng)可以有效調(diào)整導(dǎo)風(fēng)板的角度，減小誤差，確保空調(diào)的送風(fēng)范圍和家居環(huán)境的舒適性。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);導(dǎo)風(fēng)板;PID算法;PWM

1系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)主要有單片機(jī)最小系統(tǒng)、供電電路、角度檢測電路、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路等。該系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī)作為控制核心[1-2]，通過WDD35D4角位移傳感器實(shí)時(shí)采集導(dǎo)風(fēng)板的傾斜角度[3]，采集到的電信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)，單片機(jī)對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并調(diào)整輸出PWM波形，以控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)[4]。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1? 供電電路

變壓器、橋式整流電路及電容組成了該系統(tǒng)的供電電路，其工作原理是變壓器對220 V的電壓首先進(jìn)行降壓，然后經(jīng)4個(gè)二極管組成的橋式整流電路將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡俳?jīng)電容濾波后，把它轉(zhuǎn)換為5 V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作[5]。供電電路如圖2所示。

2.2? 角度檢測電路

為檢測導(dǎo)風(fēng)板角度變化，選用高精度角位移傳感器WDD35D4芯片作為檢測角度傳感器，使用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理[6]。角度檢測電流如圖3所示。

2.3? 風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用L298N芯片，工作時(shí)單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生PWM波，通過調(diào)整PWM的占空比，調(diào)節(jié)輸出電壓，進(jìn)而可以控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢[7]。風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

2.4? 顯示電路

顯示電路采用LCD12864芯片，該芯片是一種圖形點(diǎn)陣的液晶顯示器，主要由行或列的驅(qū)動(dòng)器以及128*64的全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，可以相對完成更多的顯示內(nèi)容，包括文字、數(shù)據(jù)、圖形等。顯示電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在直流電源US穩(wěn)定的情況下，PWM通過控制開關(guān)器件的通斷，得到一系列幅度相同而寬度不同的脈沖，通過調(diào)節(jié)占空比可以達(dá)到調(diào)節(jié)直流電機(jī)電樞電壓的目的。PWM調(diào)制公式如下：

其中，Ud是直流電機(jī)的平均電源，T是開關(guān)周期，ton是導(dǎo)通時(shí)間，ρ是占空比。

該系統(tǒng)采用增量式PID算法來實(shí)現(xiàn)角度的控制[8]。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定值比較得出偏差，對偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，最終利用運(yùn)算結(jié)果控制PWM脈沖的占空比來實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)電樞電壓的控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)[9]。增量式PID算法公式如下：

其中，Kp是比例系數(shù)，Ki是積分系數(shù)，Kd是微分系數(shù)。

在上述理論的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主程序流程圖如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測試一：首先將導(dǎo)風(fēng)板的角度進(jìn)行預(yù)置，設(shè)置在45°～135°之間，由起點(diǎn)開始，10 s內(nèi)到達(dá)第一個(gè)預(yù)置角度，穩(wěn)定停留5 s，然后回到終點(diǎn)。測試結(jié)果如表1所示。

測試二：首先從終點(diǎn)開始，10 s內(nèi)到達(dá)第一個(gè)預(yù)置角度，然后到達(dá)第二個(gè)預(yù)置角度，之后再到達(dá)第一個(gè)預(yù)置角度，到達(dá)第二個(gè)，導(dǎo)風(fēng)板往返3次。測試結(jié)果如表2所示。

5 結(jié)語

該系統(tǒng)在任務(wù)一中導(dǎo)風(fēng)板的過渡時(shí)間不大于10 s，控制的角度的誤差不大于5°，同時(shí)在預(yù)置角度上停留的時(shí)間大于或等于5 s，誤差范圍在2 s以內(nèi)。在任務(wù)二中，10 s內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板到達(dá)第一個(gè)預(yù)置的角度，然后到達(dá)第二個(gè)預(yù)置角度，在它們中間做3次擺動(dòng)，擺動(dòng)的周期不大于5 s，擺動(dòng)時(shí)候的幅角不大于5°，動(dòng)作完成后導(dǎo)風(fēng)板還是回到起始位置上。仿真測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可以完成設(shè)定的動(dòng)作，有效調(diào)整導(dǎo)風(fēng)板的角度，減小誤差，進(jìn)而可以調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量，確保了空調(diào)的送風(fēng)范圍和家居環(huán)境的舒適性。

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（編輯 何 琳）