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摘 要：为实现通过改变风量控制下置轴风板角度，经过选择合适的风机保证足够的风力，设计合适的风道形成稳定的风力，设计制作轻且有一定强度、有灵活支承，有粗糙表面的阻风板，然后设计了一种以增强型单片机STC12C5A60S2为主控电路，LCD1602液晶显示器为显示单元，由电位器式角度传感器采集的角度模拟信号经单片机内部A/D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，通过PWM调速控制左右风机的风量来控制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：下置轴风板转角；PID；PWM调速；控制系统
引言
2015 年全国大学生电子设计竞赛高职高专组I题设计任务：设计并制作一个风板控制装置。该装置能通过控制风机的风量来控制风板完成规定动作，风板控制装置参考示意图见图1。因而有了文章的设计。
1 任务分析
根据任务描述，其中的控制的逻辑关系是：控制系统→风机转速→风量→风板转动角度→控制系统。这是一个有反馈的闭环控制，适用经典的PID控制理论进行设计。
逐步分析任务要求，可以发现，首先要选择合适的风机，有足够的风力吹动阻风板；考虑到风属于流体，具有复杂动力性，容易受到干扰，接下来就要设计合适的风道，保证有稳定的风力控制阻风板；阻风板要考虑的问题一是转动灵活，二是风机容易吹动，三是能形成较稳定的风阻，因此阻风板要轻且有一定强度、要灵活支承，要有粗糙表面。
所以本设计用经典PID控制理论设计控制系统，装置结构要选择合适的风机保证足够的风力，设计合适的风道形成稳定的风力，设计制作轻且有一定强度、有灵活支承，有粗糙表面的阻风板。
2 方案设计
根据设计任务要求，本装置拟进行风机控制设计与风板及风道布局设计。
（1）风板及风道布局主要由左右风道、导向装置、风板限位装置、风板、风板转轴及支架以及量角器等组成，初步方案设计如图2所示。风道设计了两种，风道类型I：由梯形锥体聚风槽+圆弧导风板，如图2左边所示；风道类型II，由圆锥体聚风槽+圆型导风管，如图2右边所示。经过反复实验比较，最终选择风道类型I。
（2）本设计选择了风量大、风压小的小型轴流风机。因而风板材质的选择：要求较轻，又具有一定强度，设计中经过试验，选择了较轻ABS树脂材料做风板，并在其表面贴一层薄薄的泡沫层以增加风阻减少扰流。
（3）风机控制系统主要由微控制器及显示模块、角度信息采集模块、风机驱动模块、A/D 采样模块、声光提示、输入以及电源模块等构成，系统框图如图3所示。
其中主要器件的选用如下：
微控制器采用STC12C5A60S2作为主控器，该芯片是一种单时钟、机器周期（IT）单片机，具有高速、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和PWM，运算能力强，软件编程灵活，自由度大。
角度传感器选择了电位器式角度传感器，特点归零方便，线性度高，价格适中，安装方便。
风机驱动调速方式采用单片机内置PWM信号控制PWM调速风机，该方式，电路简单，控制方便。
3 系统设计
根据前面的系统方案设计了各个控制电路。
3.1 主控电路设计
控制电路设计主要包括单片机最小系统、角度信息输入、PWM信号输出、显示电路、蜂鸣报警电路、按键电路、电源电路等，电路图如图4所示。
其中：单片机最小系统由晶振电路、电源组成，晶振22.1184M；
角度传感器输入到单片机A/D输入端1脚；
PWM信号输出来自单片机PWM输出端4、5脚；
键盘、显示等电路接相应的输入输出端口。
3.2 程序设计
整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，控制系统的核心是主程序，主程序调用了5个子程序，分别是液晶显示程序、按键处理程序、角度传感器检测、中断控制程序、PWM信号发生。
系统上电后，左右风机按预设风速工作，程序流程图如图5所示。
系统上电后，左右风机按预设风速运行并进行做初始化，接着扫描键盘后判断预设值的设定是否完成，如果没有就继续扫描键盘看是否完成与设置，反之则开始通过扫描键盘判断有没有启动，没有就一直扫描，直到启动后根据角度传感器反馈信号让左右PWM信号按比例输出，对风板稳住进行计时，之后判断计时是否到5s，是的话就停机，否则就扫描键盘看是否停机，没有时程序返回到角度测量并控制左右PWM信号比例再次执行下边的程序，扫描到停止时就停机，程序结束。
4 系统测试
5 结果分析与结论
根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：
（1）风板角度能在45°～135°内预设，预设步进值为1°，摆动幅度绝对误差值≤5°，响应时间≤10s，稳定停留时间6s，误差≤1s，风板能平稳停留在终点位置。
（2）风板在45°～135°内预设两值，到达第一个预设角度≤10s，在两个预设角度之间能完成次摆动4次且周期≤5s，幅角≤ 5°，动作完成后风板平稳停留在起点位置。
（3）挂10g砝码，风板能基本完成控制要求。
综上所述，本设计达到设计要求。
参考文献
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