寧紅英,，李學平，盧秀,，劉芳園
(西安理工大學 信息技術與裝備工程學院,，陜西 西安 710048)
摘要：利用STC12系列單片機作為控制核心，減速電機作為執(zhí)行機構,，以單圈電位器作為檢測元件,，在有限范圍內實現了角度的精確控制。經過實驗測試,，在0°~235°的控制范圍內,，最大誤差控制在±1°，保證了控制精度和控制速率,；經過實際使用驗證了該方案安全,、可靠。
中圖分類號：TP215文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.010
引用格式：寧紅英,，李學平,，盧秀，等.基于STC單片機的角度控制［J］.微型機與應用,，2017,36（7）：32-34,，38.
0引言
*基金項目：西安理工大學教學研究重點項目（xjy1670）現代工業(yè)控制中控制對象的多樣性及復雜性，控制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的控制精度、控制速度的要求不斷提高,，對控制系統(tǒng)的性能提出了更高的要求,。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，信號處理精度已經普遍能夠滿足要求,，所以衡量系統(tǒng)性能的優(yōu)劣取決于系統(tǒng)中的檢測環(huán)節(jié)及執(zhí)行機構,。執(zhí)行機構從所用能源進行分類，可分為電動執(zhí)行機構,、氣動執(zhí)行機構以及液壓執(zhí)行機構［1］,。控制系統(tǒng)中,，角度對應執(zhí)行機構的典型輸出,，本文對電動執(zhí)行機構進行分析，以通用STC系列單片機為控制核心,，以單圈電位器作為檢測元件,，采用PID算法，對執(zhí)行機構減速電機進行控制,，實現角度的精確控制［24］,。
1控制系統(tǒng)設計思想
控制系統(tǒng)結構如圖1所示，系統(tǒng)結構為典型的單值閉環(huán)控制系統(tǒng),，主要由單片機主控系統(tǒng),、驅動系統(tǒng)、執(zhí)行機構,、角度檢測及顯示等環(huán)節(jié)構成,。
主控系統(tǒng)主要完成信息處理,、電機驅動信號輸出,、驅動顯示器件等功能，采用主控芯片STC12C5A60S2單片機,，此芯片具有高速,、低功耗、超強抗干擾等性能［5］,。驅動系統(tǒng)主要根據主控系統(tǒng)的輸出信號進行功率放大,，驅動后級執(zhí)行機構，此環(huán)節(jié)采用專用驅動模塊L298N來完成,。執(zhí)行機構采用減速電機,，完成被控對象角度的定位。角度檢測采用變阻式角度傳感器實現,，主要完成減速電機轉動角度的準確判斷,，并將角度轉換成電壓輸出，角度調整范圍為0～270°，輸出電壓在一定范圍內與角度線性對應,，其輸出接入到主控系統(tǒng)的A/D轉換接口,。顯示模塊采用LCD1602液晶顯示器件，主要完成設定值以及實時測量角度的顯示,。
圖2負反饋控制結構系統(tǒng)工作過程形成典型的負反饋控制系統(tǒng),，結構如圖2所示。角度傳感器與執(zhí)行機構中的減速電機同軸相連,，當減速電機旋轉時,，角度傳感器隨之一起旋轉，將減速電機的旋轉角度轉換成電壓輸出,，作為反饋信號,，送入到主控系統(tǒng)的A/D轉換入口。主控系統(tǒng)接收到此信號之后,，與設定值進行比較,，得到偏差信號，控制系統(tǒng)一方面根據兩者偏差調整PWM輸出占空比,，控制減速電機的轉速,，當偏差較大時，減速電機快速轉動,，隨著偏差的不斷減小,，電機旋轉速度趨于平緩，既保證了系統(tǒng)調整速度,，又可以減小執(zhí)行機構定位時旋轉角度的超調,；另一方面，主控系統(tǒng)根據偏差信號的狀態(tài),，調整減速電機的旋轉方向,，最后使系統(tǒng)穩(wěn)定在設定值上。
2實現方案
2.1硬件電路設計
(1）電機驅動電路
控制信號由STC12C5A16S2單片機輸出,。由于單片機的直流輸出電流非常微弱,，不能直接用來驅動電機，必須將輸出的控制信號輸入到電機驅動電路,，進行功率放大,，再驅動電機工作。本文中采用驅動芯片L298N構造驅動電路,，如圖3所示,。驅動芯片中ENA、ENB為使能控制端,，控制電機的停轉,，高電平有效,；根據設計結構，將單片機的PWM輸出端接驅動芯片的使能端ENA,，單片機輸出端P1.4,、P1.5接驅動芯片的輸入端，控制電機的正轉,、反轉,、停止等狀態(tài)。
(2）電機旋轉角度檢測
對于電機角度檢測,，采用高精度的單圈電位器,。減速直流電機轉軸與電位器同軸相連，電機旋轉帶動傳感器旋轉軸的旋轉,，傳感器產生一個與角度依次對應的輸出電壓,，此電壓接入單片機A/D采樣端口，作為電機的位置反饋信號,，軟件處理過程中對所采集的信號進行非線性修正,，以提高控制精度。
(3）人機接口
人機接口資源分配如圖4所示,。本系統(tǒng)中,，人機接口主要涉及兩個問題，一是參考值的設定,，另一個是參考值以及反饋值的實時顯示,。參數設定采用鍵盤輸入，設置3個按鍵,，對角度進行“加”,、“減”、“確定”功能設定,；數據顯示采用LCD1602液晶顯示器件,，完成對參考值以及反饋值的實時顯示。圖5電機驅動軟件設計流程
2.2主要模塊軟件設計
?。?）減速電機驅動
電機驅動軟件設計流程如圖5所示,。通過將角度傳感器輸出信號與設定值進行比較，獲得一個偏差信號,，首先根據偏差信號的狀態(tài)確定電機的運行狀態(tài)，當偏差信號小于0時,，控制電機正轉,；偏差信號大于0時，電機反轉,；偏差信號等于0時,，電機固定在設定位置,。其次在控制算法中對此偏差信號進行PID運算，控制PWM輸出占空比,，調整電機轉速［6］,，實現速度的兩級控制，以提高整機的調整效率,，減小控制過程中角度的超調量,。
（2）A/D轉換
STC12C5A60S2系列單片機自帶A/D轉換接口,，分布在P1口,，圖6為單片器A/D轉換流程圖。圖6（a）為A/D轉換主流程圖,，圖6（b）為ADC數據處理過程,。數據處理采用求取平均值的方法［7］，數據處理過程中多次采樣,，剔除采樣結果中最大及最小值,，再求取平均值，以保證采樣結果的精確度,。
3測量數據及分析
系統(tǒng)搭建并調試完成之后,，在0°~235°范圍內，每隔5°改變一次設定值,，對控制結果進行測試,，測試誤差在±1°范圍內；在數據測試過程中,，每改變一次設定值,，系統(tǒng)能夠非常迅速地達到新的平衡狀態(tài)且超調量較小，誤差曲線如圖7所示,?！ ?/p>
4結論
本文主要論述了控制系統(tǒng)中對過程變量角度的控制，依次映射執(zhí)行機構的控制過程,。系統(tǒng)采用單片機作為主控芯片,，結構緊湊、體積小,、集成度高,、速度快、抗干擾能力強,、故障率低,、操作方便；軟件部分采用結構化設計,，只要對程序參數稍加改動就可以很快適應新的環(huán)境,，系統(tǒng)易維護,，集成了數據采集、數據處理,、控制電機運行狀態(tài)等功能,，同時也體現了經典控制理論在控制過程中良好的控制效果。經過實際測試,，角度在0°~235°時,，最大誤差可控制在±1°范圍。
參考文獻
?。?］ 李開元,劉洪運,王衛(wèi)東,等.基于STC單片機的溫控熱計費采暖閥門的設計［J］.電子技術應用,2011,37(5):56-59,63.
?。?］ 郭天祥.51 單片機C語言教程 ［M］. 北京 : 電子工業(yè)出版社 ,2009.
［3］ 趙新.基于PID算法的PWM單片機的帆板控制［J］.信息與電腦,2016(7):33-34.
?。?］ 赫建立,朱龍英,成磊,等.串聯(lián)機器人軌跡跟蹤控制模糊自適應PID算法的誤差修正［J］.電子技術應用,2015,41(1):60-63,67.
?。?］ 余松科,方方,李婷,等.PWM調速對直流電機運行特性的影響研究［J］.微型機與應用,2015,34(13):28-30,34.
［6］ 史敬灼,劉玉.超聲電機簡單專家PID速度控制［J］.中國電機工程學報,2013,33(36):120-125.
?。?］ 劉春輝,張穎超,許超,等.自動氣象站數據采集器的設計［J］.電子技術應用,2014,40(6):36-38.