寧紅英,，李學(xué)平,，盧秀，劉芳園
(西安理工大學(xué) 信息技術(shù)與裝備工程學(xué)院,，陜西 西安 710048)
摘要：利用STC12系列單片機(jī)作為控制核心,，減速電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu),，以單圈電位器作為檢測(cè)元件，在有限范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了角度的精確控制,。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,，在0°~235°的控制范圍內(nèi)，最大誤差控制在±1°,，保證了控制精度和控制速率,；經(jīng)過(guò)實(shí)際使用驗(yàn)證了該方案安全、可靠,。
關(guān)鍵詞：控制器,；PWM；減速直流電機(jī),；單圈電位器
中圖分類(lèi)號(hào)：TP215文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.010
引用格式：寧紅英,，李學(xué)平，盧秀,，等.基于STC單片機(jī)的角度控制［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,，2017,36（7）：32-34，38.
0引言
*基金項(xiàng)目：西安理工大學(xué)教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（xjy1670）現(xiàn)代工業(yè)控制中控制對(duì)象的多樣性及復(fù)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(duì)控制系統(tǒng)的性能提出了更高的要求,。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,，信號(hào)處理精度已經(jīng)普遍能夠滿(mǎn)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(cè)環(huán)節(jié)及執(zhí)行機(jī)構(gòu),。執(zhí)行機(jī)構(gòu)從所用能源進(jìn)行分類(lèi),，可分為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)［1］,?？刂葡到y(tǒng)中，角度對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的典型輸出,，本文對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析,，以通用STC系列單片機(jī)為控制核心，以單圈電位器作為檢測(cè)元件,，采用PID算法,，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)減速電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)角度的精確控制［24］,。
1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想
控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為典型的單值閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要由單片機(jī)主控系統(tǒng),、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),、執(zhí)行機(jī)構(gòu),、角度檢測(cè)及顯示等環(huán)節(jié)構(gòu)成。
主控系統(tǒng)主要完成信息處理,、電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出、驅(qū)動(dòng)顯示器件等功能,，采用主控芯片STC12C5A60S2單片機(jī),，此芯片具有高速、低功耗,、超強(qiáng)抗干擾等性能［5］,。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要根據(jù)主控系統(tǒng)的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)后級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu),，此環(huán)節(jié)采用專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)模塊L298N來(lái)完成,。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用減速電機(jī)，完成被控對(duì)象角度的定位,。角度檢測(cè)采用變阻式角度傳感器實(shí)現(xiàn),，主要完成減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的準(zhǔn)確判斷，并將角度轉(zhuǎn)換成電壓輸出,，角度調(diào)整范圍為0～270°,，輸出電壓在一定范圍內(nèi)與角度線(xiàn)性對(duì)應(yīng)，其輸出接入到主控系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換接口,。顯示模塊采用LCD1602液晶顯示器件,，主要完成設(shè)定值以及實(shí)時(shí)測(cè)量角度的顯示。
圖2負(fù)反饋控制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)工作過(guò)程形成典型的負(fù)反饋控制系統(tǒng),，結(jié)構(gòu)如圖2所示,。角度傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的減速電機(jī)同軸相連，當(dāng)減速電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí),，角度傳感器隨之一起旋轉(zhuǎn),，將減速電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換成電壓輸出，作為反饋信號(hào),，送入到主控系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換入口,。主控系統(tǒng)接收到此信號(hào)之后，與設(shè)定值進(jìn)行比較,，得到偏差信號(hào),，控制系統(tǒng)一方面根據(jù)兩者偏差調(diào)整PWM輸出占空比，控制減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速,，當(dāng)偏差較大時(shí),，減速電機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著偏差的不斷減小,，電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度趨于平緩,，既保證了系統(tǒng)調(diào)整速度,，又可以減小執(zhí)行機(jī)構(gòu)定位時(shí)旋轉(zhuǎn)角度的超調(diào)；另一方面,，主控系統(tǒng)根據(jù)偏差信號(hào)的狀態(tài),，調(diào)整減速電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，最后使系統(tǒng)穩(wěn)定在設(shè)定值上,。
2實(shí)現(xiàn)方案
2.1硬件電路設(shè)計(jì)
(1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
控制信號(hào)由STC12C5A16S2單片機(jī)輸出,。由于單片機(jī)的直流輸出電流非常微弱，不能直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī),，必須將輸出的控制信號(hào)輸入到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,，進(jìn)行功率放大，再驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作,。本文中采用驅(qū)動(dòng)芯片L298N構(gòu)造驅(qū)動(dòng)電路,，如圖3所示。驅(qū)動(dòng)芯片中ENA,、ENB為使能控制端,，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)，高電平有效,；根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),，將單片機(jī)的PWM輸出端接驅(qū)動(dòng)芯片的使能端ENA，單片機(jī)輸出端P1.4,、P1.5接驅(qū)動(dòng)芯片的輸入端,，控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn),、停止等狀態(tài),。
(2）電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度檢測(cè)
對(duì)于電機(jī)角度檢測(cè),，采用高精度的單圈電位器。減速直流電機(jī)轉(zhuǎn)軸與電位器同軸相連,，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)傳感器旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)，傳感器產(chǎn)生一個(gè)與角度依次對(duì)應(yīng)的輸出電壓,，此電壓接入單片機(jī)A/D采樣端口,，作為電機(jī)的位置反饋信號(hào),，軟件處理過(guò)程中對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行非線(xiàn)性修正，以提高控制精度,。
(3）人機(jī)接口
人機(jī)接口資源分配如圖4所示,。本系統(tǒng)中,，人機(jī)接口主要涉及兩個(gè)問(wèn)題,，一是參考值的設(shè)定，另一個(gè)是參考值以及反饋值的實(shí)時(shí)顯示,。參數(shù)設(shè)定采用鍵盤(pán)輸入，設(shè)置3個(gè)按鍵,，對(duì)角度進(jìn)行“加”,、“減”、“確定”功能設(shè)定,；數(shù)據(jù)顯示采用LCD1602液晶顯示器件，完成對(duì)參考值以及反饋值的實(shí)時(shí)顯示,。圖5電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)流程
2.2主要模塊軟件設(shè)計(jì)
（1）減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)
電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示,。通過(guò)將角度傳感器輸出信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較，獲得一個(gè)偏差信號(hào),，首先根據(jù)偏差信號(hào)的狀態(tài)確定電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),，當(dāng)偏差信號(hào)小于0時(shí)，控制電機(jī)正轉(zhuǎn),；偏差信號(hào)大于0時(shí),，電機(jī)反轉(zhuǎn)；偏差信號(hào)等于0時(shí),，電機(jī)固定在設(shè)定位置,。其次在控制算法中對(duì)此偏差信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算，控制PWM輸出占空比,，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速［6］,，實(shí)現(xiàn)速度的兩級(jí)控制，以提高整機(jī)的調(diào)整效率,，減小控制過(guò)程中角度的超調(diào)量,。
（2）A/D轉(zhuǎn)換
STC12C5A60S2系列單片機(jī)自帶A/D轉(zhuǎn)換接口，分布在P1口,，圖6為單片器A/D轉(zhuǎn)換流程圖,。圖6（a）為A/D轉(zhuǎn)換主流程圖，圖6（b）為ADC數(shù)據(jù)處理過(guò)程,。數(shù)據(jù)處理采用求取平均值的方法［7］,，數(shù)據(jù)處理過(guò)程中多次采樣，剔除采樣結(jié)果中最大及最小值,，再求取平均值,，以保證采樣結(jié)果的精確度。
3測(cè)量數(shù)據(jù)及分析
系統(tǒng)搭建并調(diào)試完成之后,，在0°~235°范圍內(nèi),，每隔5°改變一次設(shè)定值，對(duì)控制結(jié)果進(jìn)行測(cè)試,，測(cè)試誤差在±1°范圍內(nèi),；在數(shù)據(jù)測(cè)試過(guò)程中，每改變一次設(shè)定值,，系統(tǒng)能夠非常迅速地達(dá)到新的平衡狀態(tài)且超調(diào)量較小,，誤差曲線(xiàn)如圖7所示?！ ?/p>
4結(jié)論
本文主要論述了控制系統(tǒng)中對(duì)過(guò)程變量角度的控制,，依次映射執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制過(guò)程。系統(tǒng)采用單片機(jī)作為主控芯片,，結(jié)構(gòu)緊湊,、體積小、集成度高,、速度快,、抗干擾能力強(qiáng)、故障率低,、操作方便,；軟件部分采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，只要對(duì)程序參數(shù)稍加改動(dòng)就可以很快適應(yīng)新的環(huán)境,，系統(tǒng)易維護(hù),，集成了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理,、控制電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等功能,，同時(shí)也體現(xiàn)了經(jīng)典控制理論在控制過(guò)程中良好的控制效果。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試,，角度在0°~235°時(shí),，最大誤差可控制在±1°范圍。
參考文獻(xiàn)
［1］ 李開(kāi)元,劉洪運(yùn),王衛(wèi)東,等.基于STC單片機(jī)的溫控?zé)嵊?jì)費(fèi)采暖閥門(mén)的設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用,2011,37(5):56-59,63.
?。?］ 郭天祥.51 單片機(jī)C語(yǔ)言教程 ［M］. 北京 : 電子工業(yè)出版社 ,2009.
?。?］ 趙新.基于PID算法的PWM單片機(jī)的帆板控制［J］.信息與電腦,2016(7):33-34.
［4］ 赫建立,朱龍英,成磊,等.串聯(lián)機(jī)器人軌跡跟蹤控制模糊自適應(yīng)PID算法的誤差修正［J］.電子技術(shù)應(yīng)用,2015,41(1):60-63,67.
?。?］ 余松科,方方,李婷,等.PWM調(diào)速對(duì)直流電機(jī)運(yùn)行特性的影響研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,2015,34(13):28-30,34.
?。?］ 史敬灼,劉玉.超聲電機(jī)簡(jiǎn)單專(zhuān)家PID速度控制［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(36):120-125.
［7］ 劉春輝,張穎超,許超,等.自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(6):36-38.