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，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］。控制系統(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)采用專用驅(qū)動(dòng)模塊L298N來完成。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)，軟件處理過程中對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行非線性修正，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)
?。?）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，減小控制過程中角度的超調(diào)量。
?。?）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)過程變量角度的控制，依次映射執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制過程。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程中良好的控制效果。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，角度在0°~235°時(shí)，最大誤差可控制在±1°范圍。
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