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)
摘要：利用STC12系列單片機作為控制核心，減速電機作為執行機構，以單圈電位器作為檢測元件，在有限范圍內實現了角度的精確控制。經過實驗測試，在0°~235°的控制范圍內，最大誤差控制在±1°，保證了控制精度和控制速率；經過實際使用驗證了該方案安全、可靠。
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.基于STC單片機的角度控制［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）現代工業控制中控制對象的多樣性及復雜性，控制系統中各環節的控制精度、控制速度的要求不斷提高，對控制系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，所以衡量系統性能的優劣取決于系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］。控制系統中，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，對執行機構減速電機進行控制，實現角度的精確控制［24］。
1控制系統設計思想
控制系統結構如圖1所示，系統結構為典型的單值閉環控制系統，主要由單片機主控系統、驅動系統、執行機構、角度檢測及顯示等環節構成。
主控系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、超強抗干擾等性能［5］。驅動系統主要根據主控系統的輸出信號進行功率放大，驅動后級執行機構，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，并將角度轉換成電壓輸出，角度調整范圍為0～270°，輸出電壓在一定范圍內與角度線性對應，其輸出接入到主控系統的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。
圖2負反饋控制結構系統工作過程形成典型的負反饋控制系統，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，送入到主控系統的A/D轉換入口。主控系統接收到此信號之后，與設定值進行比較，得到偏差信號，控制系統一方面根據兩者偏差調整PWM輸出占空比，控制減速電機的轉速，當偏差較大時，減速電機快速轉動，隨著偏差的不斷減小，電機旋轉速度趨于平緩，既保證了系統調整速度，又可以減小執行機構定位時旋轉角度的超調；另一方面，主控系統根據偏差信號的狀態，調整減速電機的旋轉方向，最后使系統穩定在設定值上。
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，不能直接用來驅動電機，必須將輸出的控制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為使能控制端，控制電機的停轉，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，控制電機的正轉、反轉、停止等狀態。
(2）電機旋轉角度檢測
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，以提高控制精度。
(3）人機接口
人機接口資源分配如圖4所示。本系統中，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
2.2主要模塊軟件設計
（1）減速電機驅動
電機驅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，首先根據偏差信號的狀態確定電機的運行狀態，當偏差信號小于0時，控制電機正轉；偏差信號大于0時，電機反轉；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，調整電機轉速［6］，實現速度的兩級控制，以提高整機的調整效率，減小控制過程中角度的超調量。
（2）A/D轉換
STC12C5A60S2系列單片機自帶A/D轉換接口，分布在P1口，圖6為單片器A/D轉換流程圖。圖6（a）為A/D轉換主流程圖，圖6（b）為ADC數據處理過程。數據處理采用求取平均值的方法［7］，數據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。
3測量數據及分析
系統搭建并調試完成之后，在0°~235°范圍內，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；在數據測試過程中，每改變一次設定值，系統能夠非常迅速地達到新的平衡狀態且超調量較小，誤差曲線如圖7所示。
4結論
本文主要論述了控制系統中對過程變量角度的控制，依次映射執行機構的控制過程。系統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，只要對程序參數稍加改動就可以很快適應新的環境，系統易維護，集成了數據采集、數據處理、控制電機運行狀態等功能，同時也體現了經典控制理論在控制過程中良好的控制效果。經過實際測試，角度在0°~235°時，最大誤差可控制在±1°范圍。
參考文獻
［1］ 李開元,劉洪運,王衛東,等.基于STC單片機的溫控熱計費采暖閥門的設計［J］.電子技術應用,2011,37(5):56-59,63.
［2］ 郭天祥.51 單片機C語言教程 ［M］. 北京 : 電子工業出版社 ,2009.
［3］ 趙新.基于PID算法的PWM單片機的帆板控制［J］.信息與電腦,2016(7):33-34.
［4］ 赫建立,朱龍英,成磊,等.串聯機器人軌跡跟蹤控制模糊自適應PID算法的誤差修正［J］.電子技術應用,2015,41(1):60-63,67.
［5］ 余松科,方方,李婷,等.PWM調速對直流電機運行特性的影響研究［J］.微型機與應用,2015,34(13):28-30,34.
［6］ 史敬灼,劉玉.超聲電機簡單專家PID速度控制［J］.中國電機工程學報,2013,33(36):120-125.
［7］ 劉春輝,張穎超,許超,等.自動氣象站數據采集器的設計［J］.電子技術應用,2014,40(6):36-38.