下置轴风板双向风力控制系统的设计与优化

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。