2017-05-02 20:38:02

  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,陝西 西安 710048)

       摘要:利用STC12係列單片機作為控製核心,減速電機作為執行機構,以單圈電位器作為檢測元件,在有限範圍內實現了角度的精確控製。經過實驗測試,在0°~235°的控製範圍內,最大誤差控製在±1°,保證了控製精度和控製速率;經過實際使用驗證了該方案安全、可靠。

  關鍵詞:控製器;PWM;減速直流電機;單圈電位器

  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.基於STC單片機的角度控製[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)現代工業控製中控製對象的多樣性及複雜性,控製係統中各環節的控製精度、控製速度的要求不斷提高,對控製係統的性能提出了更高的要求。隨著計算機技術的不斷發展,信號處理精度已經普遍能夠滿足要求,所以衡量係統性能的優劣取決於係統中的檢測環節及執行機構。執行機構從所用能源進行分類,可分為電動執行機構、氣動執行機構以及液壓執行機構[1]。控製係統中,角度對應執行機構的典型輸出,本文對電動執行機構進行分析,以通用STC係列單片機為控製核心,以單圈電位器作為檢測元件,采用PID算法,對執行機構減速電機進行控製,實現角度的精確控製[2?4]。

1控製係統設計思想

  控製係統結構如圖1所示,係統結構為典型的單值閉環控製係統,主要由單片機主控係統、驅動係統、執行機構、角度檢測及顯示等環節構成。

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  主控係統主要完成信息處理、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、超強抗幹擾等性能[5]。驅動係統主要根據主控係統的輸出信號進行功率放大,驅動後級執行機構,此環節采用專用驅動模塊L298N來完成。執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,並將角度轉換成電壓輸出,角度調整範圍為0~270°,輸出電壓在一定範圍內與角度線性對應,其輸出接入到主控係統的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。

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  圖2負反饋控製結構係統工作過程形成典型的負反饋控製係統,結構如圖2所示。角度傳感器與執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,送入到主控係統的A/D轉換入口。主控係統接收到此信號之後,與設定值進行比較,得到偏差信號,控製係統一方麵根據兩者偏差調整PWM輸出占空比,控製減速電機的轉速,當偏差較大時,減速電機快速轉動,隨著偏差的不斷減小,電機旋轉速度趨於平緩,既保證了係統調整速度,又可以減小執行機構定位時旋轉角度的超調;另一方麵,主控係統根據偏差信號的狀態,調整減速電機的旋轉方向,最後使係統穩定在設定值上。

2實現方案

  2.1硬件電路設計

  (1)電機驅動電路

  控製信號由STC12C5A16S2單片機輸出。由於單片機的直流輸出電流非常微弱,不能直接用來驅動電機,必須將輸出的控製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為使能控製端,控製電機的停轉,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,控製電機的正轉、反轉、停止等狀態。

  

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  (2)電機旋轉角度檢測

  對於電機角度檢測,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,以提高控製精度。

  (3)人機接口

  

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  人機接口資源分配如圖4所示。本係統中,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

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