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)

基于STC單片機的角度控制*

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)

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(nèi)實現(xiàn)了角度的精確控制。經(jīng)過實驗測試，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)過實際使用驗證了該方案安全、可靠。

控制器；PWM；減速直流電機；單圈電位器

0 引言

現(xiàn)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(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(xiàn)角度的精確控制[2-4]。

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(qū)動系統(tǒng)、執(zhí)行機構、角度檢測及顯示等環(huán)節(jié)構成。

圖1 控制系統(tǒng)結構框圖

主控系統(tǒng)主要完成信息處理、電機驅(qū)動信號輸出、驅(qū)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(qū)動系統(tǒng)主要根據(jù)主控系統(tǒng)的輸出信號進行功率放大，驅(qū)動后級執(zhí)行機構，此環(huán)節(jié)采用專用驅(qū)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(xiàn)，主要完成減速電機轉(zhuǎn)動角度的準確判斷，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)與角度線性對應，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(zhuǎn)時，角度傳感器隨之一起旋轉(zhuǎn)，將減速電機的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換成電壓輸出，作為反饋信號，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(jù)兩者偏差調(diào)整PWM輸出占空比，控制減速電機的轉(zhuǎn)速，當偏差較大時，減速電機快速轉(zhuǎn)動，隨著偏差的不斷減小，電機旋轉(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)行機構定位時旋轉(zhuǎn)角度的超調(diào)；另一方面，主控系統(tǒng)根據(jù)偏差信號的狀態(tài)，調(diào)整減速電機的旋轉(zhuǎn)方向，最后使系統(tǒng)穩(wěn)定在設定值上。

2 實現(xiàn)方案

2.1 硬件電路設計

(1)電機驅(qū)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(qū)動電機，必須將輸出的控制信號輸入到電機驅(qū)動電路，進行功率放大，再驅(qū)動電機工作。本文中采用驅(qū)動芯片L298N構造驅(qū)動電路，如圖3所示。驅(qū)動芯片中ENA、ENB為使能控制端，控制電機的停轉(zhuǎn)，高電平有效；根據(jù)設計結構，將單片機的PWM輸出端接驅(qū)動芯片的使能端ENA，單片機輸出端P1.4、P1.5接驅(qū)動芯片的輸入端，控制電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止等狀態(tài)。

圖3 電機驅(qū)動電路

(2)電機旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸與電位器同軸相連，電機旋轉(zhuǎn)帶動傳感器旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)，傳感器產(chǎn)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

圖4 人機接口資源分配

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(shù)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(shù)據(jù)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(qū)動軟件設計流程

2.2 主要模塊軟件設計

(1)減速電機驅(qū)動

電機驅(qū)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(jù)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(zhuǎn)；偏差信號大于0時，電機反轉(zhuǎn)；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(diào)整電機轉(zhuǎn)速[6]，實現(xiàn)速度的兩級控制，以提高整機的調(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。

圖6 A/D轉(zhuǎn)換流程圖

3 測量數(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°改變一次設定值，對控制結果進行測試，測試誤差在±1°范圍內(nèi)；在數(shù)據(jù)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(diào)量較小，誤差曲線如圖7所示。

圖7 誤差分析曲線

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(shù)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(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制電機運行狀態(tài)等功能，同時也體現(xiàn)了經(jīng)典控制理論在控制過程中良好的控制效果。經(jīng)過實際測試，角度在0°～235°時，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

西安理工大學教學研究重點項目(xjy1670)

TP215

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.07.010

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.

2016-12-01)

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

李學平(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：電氣自動化。