基于SCA100T-2倾角传感器的风板控制系统设计实现

韩金玉　天津中德职业技术学院电气工程学院　300350王守志　天津中德职业技术学院航空与汽车学院　300350



基于SCA100T-2倾角传感器的风板控制系统设计实现

韩金玉天津中德职业技术学院电气工程学院300350
王守志天津中德职业技术学院航空与汽车学院300350

【文章摘要】

风板控制系统采用高精度双轴倾角传感器SCA100T-2实时检测帆板偏转角度,并由单片机STC12C5A60S2采集处理。数据经8位ADC0809进行A/D转换后,为减少误差采用数字平均滤波算法处理数据。系统通过自适应PID控制算法调节PWM信号，控制两台轴流风机的转速，实现精确、平稳控制风板翻转到设定角度。

【关键词】

风板控制系统；倾角传感器；数字滤波算法；自适应PID；PWM信号

0　引言

2015年全国大学生电子设计大赛试题I组题目是风板的控制系统设计与制作，要求对系统中的轴流风机的风速控制，使得风板翻转角度（控制角度在45°～135°之间设定）在规定的时间内快速、稳定达到预定的要求。

1　系统设计方案与制作

图1　风板控制系统框图

图2　单片机模块和液晶显示模块

根据系统方案设计，风板控制系统的框图如图1所示。系统主要由单片机模块、角度检测模块、风机驱动模块、A/D 模块、LCD显示模块、声光提示模块、按键模块等构成。通过按键设定风板的初始位置，由单片机调整PWM脉冲调宽信号，实现电机转速控制，并由单片机把设定角度显示在LCD液晶显示屏上。安装在风板上的角度传感器将实时检测到的信号送入ADC0809进行A/D转换，然后信号经过单片机处理后得到角度值，并实时显示到液晶屏上。同时根据风板旋转的实时角度值，在软件设计中利用自适应PID控制算法对PWM调速，使帆板迅速、稳定转动到设定的角度，最终实现系统功能。

2　硬件模块的组成

2.1单片机模块

本系统采用的单片机是深圳宏晶科技公司的STC12C5A60S2单片机，电源电压（5.5～3.3V），片内含60kb的可反复擦写的只读存储器，8通道10位AD转换器，速度可达25万次/秒。其中，P1口作为普通I/ O口使用，也是片内8路AD转换器的输入端口，检测帆板转动角度值。本系统将单片机的P0端口和LCD1602与液晶显示，显示风板的设定角度值与实时角度。

2.2电机驱动模块

轴流风机驱动采用LM298N芯片控制，该芯片是专用的电机驱动芯片。其内部含有H 桥的高电压、大电流全桥驱动器，可以用来驱动直流电机和步进电机，采用标准逻辑电平控制，具有两个使能控制端，在不受输入信号影响下允许或禁止。器件有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作。芯片最大工作电流2.5A，额定功率25W。

2.3角度传感器

角度传感器有旋转编码器、双轴倾角传感器等系列，旋转编码器精度高、安装工艺复杂、价格昂贵；SCAT100T系列的双轴倾角传感器，精度高，线性度好，价格便宜；所以选择SCAT100T系列的双轴倾角传感器，根据测量角度的范围选择SCA100T-D02型号的倾角传感器。

风板倾斜角变化范围是45°～135°，而SCA100T-D02显示的角度范围是，因此在采集的角度基础上增加90°，则SCA100T-D02测量角度范围为0°～180°。由于风板的倾斜方向，决定了角度传感器采用Y轴倾斜计算法来计算帆板的偏转角度。所应用的角度转化公式为：。安装角度与风板垂直，安装原理如下图3所示。

3　系统设计算法

3.1数字滤波算法

在数据采集过程中，由于传感器安装在风板上，风板的低频震动，包括传感器在内的各个测量环节硬件电路存在电磁、滤波、噪音的干扰，影响采集数据的准确性；如果只单纯采用改变硬件电路难以根本解决问题；但是结合软件抗干扰的数字滤波算法可以使问题很容易得到解决，克服和弥补了硬件本身的缺陷和弱点。在实际编程过程中采用了数字滤波算法，由单片机的A/D端口对角度值分5组反复采样25次，每一组去除最大值、最小值，剩余取平均值。将5组的平均值再除去最大值和最小值，再次求平均值，得到的便是稳定的角度值。

3.2自适应PID控制算法

图3　角度传感器Y轴的安装原理图

图4　自适应PID控制器

由于在风板控制系统中的被控对象具有时变不确定性、纯滞后等特征，控制过程机理较复杂,传统的PID控制参数整定方法显现出很大的局限性。因此本文采用自适应神经网络PID控制算法，使风板迅速稳定达到预设的角度。整个的控制过程为首先预设角度给单片机,单片机对风板进行翻转控制；其次单片机通过角度传感器对风板实时角度进行监测，并将其信息传输至控制器；再次控制器根据预设角度和实时检测角度进行判断决策；最后控制器通过参数的自适应整定,得到控制信号，从而得出系统在误差允许范围内相应的PWM占空比，驱动风板转过稳定的角度,自适应控制器的原理图如图4所示。

4　结论

本系统以STC89C52RC 单片机为核心控制部件，利用SCA100T-D02型号的倾角传感器检测风板角度的变化，事实证明此传感器的线性度好，安装方便，测量角度精确；系统算法采用自适应PID控制算法，系统运行平稳、准确，实现了对风板翻转角度的控制。

【参考文献】

[1]汪德彪等.MCS-51单片机原理及接口技术[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2]智海素等.基于单片机控制的帆板系统的设计与测试[J].制造业自动化，2012，34(6)：133-135.

[3]张存吉等.基于增量式PID算法的帆板控制系统的设计[J].微计算机信息，2012，28（7）：67-69.

[4]冯爱伟，关勇.基于自适应PID控制算法的煤矿通风系统控制[J].煤矿机械，2015，36（3）：265-267.

[5]赵建华，沈永良.一种自适应PID控制算法[J].自动化学报，2001，27（3）：417-420.

[6]孙博.一种自适应PID控制算法研究[C].长春工业大学，2014:15.

韩金玉，1978.10，女，河北邢台人，天津中德职业技术学院，讲师，硕士研究生，主要从事电气自动化技术研究与教学。

【作者简介】