基于STC單片機(jī)的角度控制*

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)

基于STC單片機(jī)的角度控制*

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)

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。

控制器；PWM；減速直流電機(jī)；單圈電位器

0 引言

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[2-4]。

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。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

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)。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

(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

圖4 人機(jī)接口資源分配

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)

(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。

(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。

圖6 A/D轉(zhuǎn)換流程圖

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。

圖7 誤差分析曲線

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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The angular control based on STC signal-chip microcomputer

Ning Hongying,Li Xueping,Lu Xiu,Liu Fangyuan

(School of Information Technology and Equipment Engineering,Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

This paper presents the system to control the angular accurately in a limited range, which utilizes the STC12 serial signal-chip microcomputer as the core of the controller, the DC geared motor as the actuator, and the single-turn potentiometer as the measuring element. Through the experiment texting, the system makes the maximum error within the scope of ±1°between 0°and 235°to ensure control precision and control rate,and practical application confirms the projectis safe and reliable.

controller；PWM；DC geared motor；single-turn potentiometer

西安理工大學(xué)教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(xjy1670)

TP215

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.07.010

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.

2016-12-01)

寧紅英(1982-)，通信作者，女，碩士，講師，主要研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)裝置、大功率器件功率損耗。E-mail:ninghongying@126.com。

李學(xué)平(1980-)，男，碩士，副教授，主要研究方向：無線通信。

盧秀(1971-)，女，碩士，副教授，主要研究方向：電氣自動(dòng)化。