宁红英，李学平，卢秀，刘芳园

　　(西安理工大学 信息技术与装备工程学院，陕西 西安 710048)

       摘要：利用STC12系列单片机作为控制核心，减速电机作为执行机构，以单圈电位器作为检测元件，在有限范围内实现了角度的精确控制。经过实验测试，在0°~235°的控制范围内，最大误差控制在±1°，保证了控制精度和控制速率；经过实际使用验证了该方案安全、可靠。

　　关键词：控制器；PWM；减速直流电机；单圈电位器

　　中图分类号：TP215文献标识码：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.010

　　引用格式：宁红英，李学平，卢秀，等.基于STC单片机的角度控制［J］.微型机与应用，2017,36（7）：32-34，38.

0引言

　　*基金项目：西安理工大学教学研究重点项目（xjy1670）现代工业控制中控制对象的多样性及复杂性，控制系统中各环节的控制精度、控制速度的要求不断提高，对控制系统的性能提出了更高的要求。随着计算机技术的不断发展，信号处理精度已经普遍能够满足要求，所以衡量系统性能的优劣取决于系统中的检测环节及执行机构。执行机构从所用能源进行分类，可分为电动执行机构、气动执行机构以及液压执行机构［1］。控制系统中，角度对应执行机构的典型输出，本文对电动执行机构进行分析，以通用STC系列单片机为控制核心，以单圈电位器作为检测元件，采用PID算法，对执行机构减速电机进行控制，实现角度的精确控制［24］。

1控制系统设计思想

　　控制系统结构如图1所示，系统结构为典型的单值闭环控制系统，主要由单片机主控系统、驱动系统、执行机构、角度检测及显示等环节构成。

　　主控系统主要完成信息处理、电机驱动信号输出、驱动显示器件等功能，采用主控芯片STC12C5A60S2单片机，此芯片具有高速、低功耗、超强抗干扰等性能［5］。驱动系统主要根据主控系统的输出信号进行功率放大，驱动后级执行机构，此环节采用专用驱动模块L298N来完成。执行机构采用减速电机，完成被控对象角度的定位。角度检测采用变阻式角度传感器实现，主要完成减速电机转动角度的准确判断，并将角度转换成电压输出，角度调整范围为0～270°，输出电压在一定范围内与角度线性对应，其输出接入到主控系统的A/D转换接口。显示模块采用LCD1602液晶显示器件，主要完成设定值以及实时测量角度的显示。

　　图2负反馈控制结构系统工作过程形成典型的负反馈控制系统，结构如图2所示。角度传感器与执行机构中的减速电机同轴相连，当减速电机旋转时，角度传感器随之一起旋转，将减速电机的旋转角度转换成电压输出，作为反馈信号，送入到主控系统的A/D转换入口。主控系统接收到此信号之后，与设定值进行比较，得到偏差信号，控制系统一方面根据两者偏差调整PWM输出占空比，控制减速电机的转速，当偏差较大时，减速电机快速转动，随着偏差的不断减小，电机旋转速度趋于平缓，既保证了系统调整速度，又可以减小执行机构定位时旋转角度的超调；另一方面，主控系统根据偏差信号的状态，调整减速电机的旋转方向，最后使系统稳定在设定值上。

2实现方案

　　2.1硬件电路设计

　　(1）电机驱动电路

　　控制信号由STC12C5A16S2单片机输出。由于单片机的直流输出电流非常微弱，不能直接用来驱动电机，必须将输出的控制信号输入到电机驱动电路，进行功率放大，再驱动电机工作。本文中采用驱动芯片L298N构造驱动电路，如图3所示。驱动芯片中ENA、ENB为使能控制端，控制电机的停转，高电平有效；根据设计结构，将单片机的PWM输出端接驱动芯片的使能端ENA，单片机输出端P1.4、P1.5接驱动芯片的输入端，控制电机的正转、反转、停止等状态。

　　(2）电机旋转角度检测

　　对于电机角度检测，采用高精度的单圈电位器。减速直流电机转轴与电位器同轴相连，电机旋转带动传感器旋转轴的旋转，传感器产生一个与角度依次对应的输出电压，此电压接入单片机A/D采样端口，作为电机的位置反馈信号，软件处理过程中对所采集的信号进行非线性修正，以提高控制精度。

　　(3）人机接口

　　人机接口资源分配如图4所示。本系统中，人机接口主要涉及两个问题，一是参考值的设定，另一个是参考值以及反馈值的实时显示。参数设定采用键盘输入，设置3个按键，对角度进行“加”、“减”、“确定”功能设定；数据显示采用LCD1602液晶显示器件，完成对参考值以及反馈值的实时显示。图5电机驱动软件设计流程

2.2主要模块软件设计

　　（1）减速电机驱动

　　电机驱动软件设计流程如图5所示。通过将角度传感器输出信号与设定值进行比较，获得一个偏差信号，首先根据偏差信号的状态确定电机的运行状态，当偏差信号小于0时，控制电机正转；偏差信号大于0时，电机反转；偏差信号等于0时，电机固定在设定位置。其次在控制算法中对此偏差信号进行PID运算，控制PWM输出占空比，调整电机转速［6］，实现速度的两级控制，以提高整机的调整效率，减小控制过程中角度的超调量。

　　（2）A/D转换

　　STC12C5A60S2系列单片机自带A/D转换接口，分布在P1口，图6为单片器A/D转换流程图。图6（a）为A/D转换主流程图，图6（b）为ADC数据处理过程。数据处理采用求取平均值的方法［7］，数据处理过程中多次采样，剔除采样结果中最大及最小值，再求取平均值，以保证采样结果的精确度。

3测量数据及分析

　　系统搭建并调试完成之后，在0°~235°范围内，每隔5°改变一次设定值，对控制结果进行测试，测试误差在±1°范围内；在数据测试过程中，每改变一次设定值，系统能够非常迅速地达到新的平衡状态且超调量较小，误差曲线如图7所示。　　

4结论

　　本文主要论述了控制系统中对过程变量角度的控制，依次映射执行机构的控制过程。系统采用单片机作为主控芯片，结构紧凑、体积小、集成度高、速度快、抗干扰能力强、故障率低、操作方便；软件部分采用结构化设计，只要对程序参数稍加改动就可以很快适应新的环境，系统易维护，集成了数据采集、数据处理、控制电机运行状态等功能，同时也体现了经典控制理论在控制过程中良好的控制效果。经过实际测试，角度在0°~235°时，最大误差可控制在±1°范围。

参考文献

　　［1］ 李开元,刘洪运,王卫东,等.基于STC单片机的温控热计费采暖阀门的设计［J］.电子技术应用,2011,37(5):56-59,63.

　　［2］ 郭天祥.51 单片机C语言教程 ［M］. 北京 : 电子工业出版社 ,2009.

　　［3］ 赵新.基于PID算法的PWM单片机的帆板控制［J］.信息与电脑,2016(7):33-34.

　　［4］ 赫建立,朱龙英,成磊,等.串联机器人轨迹跟踪控制模糊自适应PID算法的误差修正［J］.电子技术应用,2015,41(1):60-63,67.

　　［5］ 余松科,方方,李婷,等.PWM调速对直流电机运行特性的影响研究［J］.微型机与应用,2015,34(13):28-30,34.

　　［6］ 史敬灼,刘玉.超声电机简单专家PID速度控制［J］.中国电机工程学报,2013,33(36):120-125.

　　［7］ 刘春辉,张颖超,许超,等.自动气象站数据采集器的设计［J］.电子技术应用,2014,40(6):36-38.