空调系统的导风板控制装置设计与测试

王小会 李晓青 薛延刚

摘 要：随着天气的转热，很多家庭普遍使用挂壁式空调来保证家里空气的清新和新鲜，而空调的性能好坏是由其送风量和送风角度决定的，因此设计一种控制电路来调节风量和角度很有必要。采用STC89C52RC单片机作为中央处理器，通过WDD35D4角位移传感器采集导风板的倾斜角度，经模数转换后，单片机对检测角度与设定角度进行比较，并应用比例-积分-微分（Proportion Integration Differentiation， PID）算法进行处理，再以运算结果调整脉宽调制（Pulse-Width Modulation， PWM）信号，作用于直流风扇来调节风扇的风力。实验表明，在5 s内可以将导风板稳定停留在预置位置，误差范围不超过5°，且摆动的周期不大于5 s。该系统可以有效调整导风板的角度，减小误差，确保空调的送风范围和家居环境的舒适性。

关键词：单片机;导风板;PID算法;PWM

1系统总体方案

本系統主要有单片机最小系统、供电电路、角度检测电路、风机驱动电路、显示电路等。该系统采用STC89C52RC单片机作为控制核心[1-2]，通过WDD35D4角位移传感器实时采集导风板的倾斜角度[3]，采集到的电信号经A/D转换送入单片机，单片机对其进行数据处理，并调整输出PWM波形，以控制风机的转动[4]。系统总体方案如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1  供电电路

变压器、桥式整流电路及电容组成了该系统的供电电路，其工作原理是变压器对220 V的电压首先进行降压，然后经4个二极管组成的桥式整流电路将交流电转变为直流电，再经电容滤波后，把它转换为5 V电压，确保电路的正常稳定工作[5]。供电电路如图2所示。

2.2  角度检测电路

为检测导风板角度变化，选用高精度角位移传感器WDD35D4芯片作为检测角度传感器，使用单片机进行数据采集和处理[6]。角度检测电流如图3所示。

2.3  风机驱动电路

风机驱动电路采用L298N芯片，工作时单片机的定时器产生PWM波，通过调整PWM的占空比，调节输出电压，进而可以控制风机转速的快慢[7]。风机驱动电路如图4所示。

2.4  显示电路

显示电路采用LCD12864芯片，该芯片是一种图形点阵的液晶显示器，主要由行或列的驱动器以及128*64的全点阵液晶显示器组成，可以相对完成更多的显示内容，包括文字、数据、图形等。显示电路如图5所示。

3 系统软件设计

在直流电源US稳定的情况下，PWM通过控制开关器件的通断，得到一系列幅度相同而宽度不同的脉冲，通过调节占空比可以达到调节直流电机电枢电压的目的。PWM调制公式如下：

其中，Ud是直流电机的平均电源，T是开关周期，ton是导通时间，ρ是占空比。

该系统采用增量式PID算法来实现角度的控制[8]。根据采集的数据与设定值比较得出偏差，对偏差进行PID运算，最终利用运算结果控制PWM脉冲的占空比来实现对直流电机电枢电压的控制，实现电机转速的调节[9]。增量式PID算法公式如下：

其中，Kp是比例系数，Ki是积分系数，Kd是微分系数。

在上述理论的基础上，对系统的软件部分进行了设计，主程序流程图如图6所示。

4 实验结果

测试一：首先将导风板的角度进行预置，设置在45°～135°之间，由起点开始，10 s内到达第一个预置角度，稳定停留5 s，然后回到终点。测试结果如表1所示。

测试二：首先从终点开始，10 s内到达第一个预置角度，然后到达第二个预置角度，之后再到达第一个预置角度，到达第二个，导风板往返3次。测试结果如表2所示。

5 结语

该系统在任务一中导风板的过渡时间不大于10 s，控制的角度的误差不大于5°，同时在预置角度上停留的时间大于或等于5 s，误差范围在2 s以内。在任务二中，10 s内导风板到达第一个预置的角度，然后到达第二个预置角度，在它们中间做3次摆动，摆动的周期不大于5 s，摆动时候的幅角不大于5°，动作完成后导风板还是回到起始位置上。仿真测试结果显示，该系统可以完成设定的动作，有效调整导风板的角度，减小误差，进而可以调整空调系统风量，确保了空调的送风范围和家居环境的舒适性。

[参考文献]

[1]胡汉才.单片机原理及接口技术（第3版）[M].北京：清华大学出版社，2010.

[2]刘丽华.基于STC89C52设备风扇控制系统设计与实现[J].辽宁科技学院学报，2017（6）：5-6.

[3]李芳芳，彭琳茹，程航.基于单片机的风板控制装置的设计与实现[J].机械研究与应用，2016（4）：184-186.

[4]丁镇生.电子电路设计与应用手册[M].北京：电子工业出版社，2013.

[5]黄智伟.全国大学生电子竞赛常用电路模块制作[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[6]冯笑，牛小伟.基于STC125A60S2的风板自动控制装置设计[J].商丘职业技术学院学报，2016（5）：78-81.

[7]郭凯，黄建清，任英杰，等.基于51单片机的帆板系统的控制设计[J].农业网络信息，2017（257）：107-112.

[8]郭俊葳，周磊.基于增量PID算法的智能帆板系统[J].电子世界，2018（10）：121-123.

[9]冯笑，江兴盟.一种风板自动控制装置设计及测试[J].石家庄铁路职业技术学院学报，2016（4）：75-79.

（编辑 何 琳）