基于STC12C5A60S2的风板控制装置

左笑雪

摘 要本装置由风板、控制电路、信号检测和报警显示四部分组成。控制电路接收并处理按键、光电编码器等输入信号，通过PWM技术控制风板转角；信号检测部分实现角度测量；液晶显示控制菜单、预设和检测角度、稳定时间等信息，系统还能进行声光及语音报警。经测试该系统满足控制要求，且具有时间短、误差小、功能全等特点。

【关键词】風板控制 单片机 PWM 光电编码器 语音

1 系统方案设计

为了能够完成对风板的摆动角度、停留位置及时间的控制，设计的风板控制装置外部结构如图1所示，硬件系统由风板、控制电路、信号检测和报警显示四部分组成。

1.1 控制芯片选择

控制芯片选择STC12C5A60S2单片机。该芯片是单时钟、高速、低功耗、超强抗干扰8位单片机。具有60K ROM、1028B RAM、4个并口、2个定时器/计数器和2个全双工串口，内部还集成专用复位电路和看门狗电路、2路PWM输出、8路高速10位A/D转换器。由于STC12C5A60S2具有2路PWM输出，指令代码完全兼容8051，且运行速度快，易于实现直流风机调速控制。

1.2 直流风机调速方案选择

调速方案选择PWM调速。它是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，常用于直流负载回路、灯具调光或直流电动机调速。PWM调速通过单片机输出占空比不同的脉冲实现电机速度控制，其优点是控制方便、精度较高，所以选择PWM调速。

1.3 角度测量模块选择

角度测量模块选择光电编码器。光电编码器是一种将旋转位移转换为一连串数字脉冲信号的旋转式传感器，具有读数方便、转速高、响应快、抗干扰强、分辨率宽等优点，适用于精密工作环境。角度传感器旋转一周计数脉冲为16个，而光电编码器旋转一周计数脉冲数为数百个，精度更高，因此选择光电编码器进行角度测量。

2 硬件系统设计

2.1 风板机构设计

风板固定在摆动轴上，光电编码器通过联轴器固定在摆动轴上，实现二者同步旋转，直流风机和半圆仪固定在底座上，砝码通过细绳固定在长尾夹上。

2.2 角度测量方法

角度测量通过光电编码器实现，其A、B两相输出两组相位差为90°的脉冲，通过零位脉冲，可获得光电编码器的零位参考位，从而判断旋转的方向。通过脉冲还可以测量转速，选用的光电编码器旋转一周计数脉冲为400个，因此可根据其脉冲数计算旋转角度，计算公式如式1所示：

（1）

2.3 风机转速控制方法

风机转速采用PWM控制技术，即通过改变直流风机电压的占空比来改变平均电压，从而控制风机转速，STC12C5A60S2单片机的PCA模块可以通过程序设定，使其工作于8位PWM模式，PWM频率计算公式如式2所示：

（2）

2.4 硬件电路设计

硬件电路由单片机最小系统、液晶显示电路、按键及无线模块电路、声光报警电路、风机控制电路等五部分组成。

（1）单片机最小控制系统以STC12C5A60S2为核心，具有手动复位和上电复位两种形式，时钟电路采用12MHz晶振。单片机最小控制系统如图2所示。

（2）液晶显示电路采用12864液晶串行控制，显示内容包括：控制菜单、预设角度、检测角度和稳定时间等信息，液晶显示电路如图3所示。

（3）按键及无线模块电路由4个按键组成，其功能分别是：选择、确定（增加）、设置（减小）和退出，无线模块采用PT2272-M4芯片，实现遥控操作，也可以根据控制要求进行手动输入操作。

（4）声光报警电路主要由LED、蜂鸣器和语音芯片组成。LED和蜂鸣器进行声光报警；单片机控制语音芯片BY8301，经数据处理控制扬声器进行语音播报。

（5）风机控制电路：采用继电器控制风机启停，单片机输出PWM信号控制风机转速，风机控制电路图如图4所示。

3 软件系统设计

风板控制装置程序采用结构化编程，主要包括主程序、单角定位控制程序和双角摆动控制程序，实现液晶显示、按键处理、信号检测、PWM输出、声光报警、信息存储等功能。

主程序进行系统初始化操作，调用液晶显示、按键处理、声光报警、语音输出、信息存储等相关函数。

4 系统测试与分析

4.1 主要设备及仪器

数字示波器、数字万用表、电源、量角器、秒表。

4.2 基本要求测试

单角定位控制测试数据如表1所示。

双角摆动控制测试数据如表2所示。

4.3 发挥部分测试

单角定位控制测试数据（带砝码）如表3所示。

双角摆动控制测试数据（带砝码）如表4所示。

4.4 拓展功能测试

风板控制装置附加了预置角度和测量角度、稳定停留时间等参数显示功能，另外，还增加了语音播报、无线遥控、信息存储和自动复位功能，使得系统操作更加方便灵活，测量更加直观准确，经测试各项附加功能均工作正常。

4.5 测试结果分析

测试结果表明设计的风板控制装置满足了基本控制要求和发挥部分所有要求，且具有误差小、时间短、功能全特点。

作者单位

石家庄市第二中学高三十三班 河北省石家庄市 050004