基于５１單片機(jī)平臺(tái)的伺服系統(tǒng)控制

摘要：本文利用51單片機(jī)及相關(guān)元器件組成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服系統(tǒng)的控制，從而降低主控計(jì)算機(jī)的處理能力，提高整個(gè)控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；伺服系統(tǒng)；控制

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)系統(tǒng)集成度的要求越來越高。為了減輕主控計(jì)算機(jī)的處理能力，將一些功能相對(duì)獨(dú)立的分機(jī)或分系統(tǒng)改用單片機(jī)或FPGA來控制，已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。本文就是基于這種思想，通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服系統(tǒng)的控制，從而達(dá)到降低主控計(jì)算機(jī)負(fù)擔(dān)的目的。

2 硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)由87C51單片機(jī)、地址譯碼及通道控制電路、數(shù)據(jù)鎖存電路和D/A轉(zhuǎn)換器等組成，如圖1所示。

單片機(jī)系統(tǒng)接收主控計(jì)算機(jī)送來的中斷信號(hào)，將立即采集并存貯來自角度轉(zhuǎn)換模塊的實(shí)時(shí)角度數(shù)字信號(hào)，作為方位的初始位置，另一方面以一定的速率采集來自角度轉(zhuǎn)換模塊的實(shí)時(shí)角度數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)在對(duì)兩個(gè)角度數(shù)字量進(jìn)行處理、誤差計(jì)算、PID校正計(jì)算后，將控制數(shù)字量輸出至D/A進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，然后D/A輸出的模擬電壓信號(hào)送到伺服驅(qū)動(dòng)電路控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.1 譯碼及通道控制電路原理

通道控制邏輯由D7（74LS138）三線-八線譯碼器、D10（74LS74）及D9（CD40107）等電平轉(zhuǎn)換電路組成。通道開關(guān)由CD4051八選一模擬開關(guān)擔(dān)當(dāng)。CD4051是用數(shù)字信號(hào)去控制模擬開關(guān)的接通或斷開，具有低的導(dǎo)通電阻和高的斷開電阻，同時(shí)它具有正負(fù)電源供電，因而能夠傳輸峰峰值可達(dá)15VP-P的交流信號(hào)，很適合作D/A輸出的通道通斷的開關(guān)用。當(dāng)系統(tǒng)上電或系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，CD4051的控制端INH為+15V（高電平），CD4051斷開；當(dāng)控制程序中向數(shù)據(jù)口寫打開通道命令時(shí)，INH為0V（低電平），CD4051接通。其原理框圖如圖2所示。

2.2 譯碼及通道控制邏輯電路

74LS138譯碼器的輸入PC0-PC6接在主控計(jì)算機(jī)并行接口電路板（一般選用8255A芯片）的C口上。系統(tǒng)上電時(shí)，由于C31和C32兩端的電壓不能突變，因此在D8的9腳和10腳將有一定寬度的負(fù)脈沖，寬度主要由C31和R16決定。74LS74組成單穩(wěn)觸發(fā)器，上電時(shí)D8的11腳負(fù)脈沖送到D10的1腳，強(qiáng)迫D10的5腳輸出為低電平，此狀態(tài)一直保持到D10的3腳來一個(gè)正脈沖為止。D10的 5腳低電平經(jīng)D9反向并變換為+15V的正電壓，此電壓使通道開關(guān)斷開。當(dāng)系統(tǒng)初始化完成后，進(jìn)入應(yīng)用程序，在應(yīng)用程序適當(dāng)?shù)牡胤?，通過主控計(jì)算機(jī)向并口電路板C口寫數(shù)據(jù)0X6D，D7譯碼器Y5輸出一負(fù)脈沖，經(jīng)反向在D10的3腳得到一個(gè)正脈沖，此脈沖使D10的5腳輸出與D10的2腳一致的電壓即正電壓，這時(shí)D9將輸出低電平（0V），通道開關(guān)將接通。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，AUXRESET為負(fù)脈沖，同上電復(fù)位時(shí)一樣，通道開關(guān)將斷開，直到程序把通道開關(guān)接通為止。

邏輯電路圖如圖3所示。

圖中D9的第二單元是作為自檢判斷用的，在單片機(jī)程序中由P1.0腳輸出固定周期的方波，從而在發(fā)光二極管發(fā)出閃爍的光，表明單片機(jī)工作正常；反之單片機(jī)系統(tǒng)工作不正常。

單片機(jī)的P2口和讀寫信號(hào)參與譯碼，其口地址譯碼如表1所示。

2.3數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路

本板采用的D/A轉(zhuǎn)換模塊為DATEL公司的DAC-HK12BMM轉(zhuǎn)換器。D/A完成的是12位數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換，而單片機(jī)數(shù)據(jù)總線只有八位，為此D/A高八位數(shù)據(jù)用74LS373進(jìn)行鎖存，然后與低八位送來的數(shù)據(jù)同時(shí)送到D/A進(jìn)行轉(zhuǎn)換。D/A輸入的數(shù)據(jù)格式如圖4所示:

本板采用的編碼方式為二進(jìn)制，電壓量程為±10V。D/A轉(zhuǎn)換模塊的外圍分立元件的參數(shù)基本上是采用的DATEL公司提供的該模塊的默認(rèn)參數(shù)。其電路圖如圖5所示。

2.4數(shù)模轉(zhuǎn)換精度校正

數(shù)模轉(zhuǎn)換精度校正即D/A輸出模塊的精度調(diào)試由于輸入數(shù)據(jù)要經(jīng)常改變，而單片機(jī)程序是寫死的，所以一般需借助仿真器來完成。因篇幅有限，本文對(duì)仿真過程不在贅述，僅介紹調(diào)試過程以供參考。

將毫伏表量程設(shè)置在100V檔，一端接地，一端接測(cè)試輸出的D/A端口即可進(jìn)行校準(zhǔn)。具體步驟如下：

（1）將毫伏表輸入端一端接地，一端接D/A輸出管腳。

（2）裝入校準(zhǔn)程序。對(duì)于負(fù)滿刻度輸出，輸入轉(zhuǎn)換電壓對(duì)應(yīng)值0000H； 對(duì)于正滿刻度輸出，則輸入值為0FFFH。運(yùn)行程序，根據(jù)毫伏表上的顯示電壓調(diào)整對(duì)應(yīng)的電位器R11和R14以得到輸出－10.000V和+10.000V的電壓即可（注意：負(fù)滿刻度和正滿刻度的調(diào)整有時(shí)需重復(fù)幾次進(jìn)行，以得到滿意的輸出）。

3.2 源程序

由于主程序源代碼較長(zhǎng)，本文僅提供數(shù)模轉(zhuǎn)換精度校正部分的源代碼。

說明：?jiǎn)纹瑱C(jī)晶振頻率：11.0592MHz。定時(shí)/計(jì)數(shù)器1定時(shí)時(shí)間為10MS，用于使P1.7腳輸出固定周期的高電平觸發(fā)脈沖。定時(shí)/計(jì)數(shù)器0定時(shí)時(shí)間為50MS，循環(huán)20次即1000MS=1S，用于使p1.0輸出固定周期的方波，以便判斷單片機(jī)是否工作正常。

ORG0000H

LJMPSTART ;轉(zhuǎn)移到START開始執(zhí)行

ORG0030H ;主程序

START:MOVR7，#14H;設(shè)定循環(huán)次數(shù)

MOV TMOD，#11H;定時(shí)/計(jì)數(shù)器0、1工作方式置為1

MOV TH1，#0D8H;定時(shí)/計(jì)數(shù)器1高8位置數(shù)

MOV TL1，#0F0H;定時(shí)/計(jì)數(shù)器1低8位置數(shù)

MOV TH0，#3CH;定時(shí)/計(jì)數(shù)器0高8位置數(shù)

MOV TL0，#0B0H;定時(shí)/計(jì)數(shù)器0低8位置數(shù)

MOV IE，#8AH ;定時(shí)/計(jì)數(shù)器0、1中斷允許

SETB TR1 ;定時(shí)/計(jì)數(shù)器1定時(shí)開始

SETB TR0 ;定時(shí)/計(jì)數(shù)器0定時(shí)開始

MOV P0， #00H ;高八位控制量數(shù)據(jù)

MOV P2， #84H;口地址

CLR P3.6;輸出高八位控制量至74LS373鎖存（寫信號(hào)有效）

NOP

NOP

SETB P3.6

MOV P0， #00H;低八位控制量數(shù)據(jù)

MOV P2， #85H;口地址

CLR P3.6 ;輸出低八位控制量至D/A轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換開始（寫信號(hào)保持有效，使輸出電壓不變，便于測(cè)量及調(diào)試）

LOOP:SJMP$ ;等待中斷

ORG 000BH ;定時(shí)/計(jì)數(shù)器0中斷服務(wù)程序

MOV TH0， #3CH ;定時(shí)/計(jì)數(shù)器0重裝載(高8位)

MOV TL0， #0B0H;定時(shí)/計(jì)數(shù)器0重裝載(低8位)

DJNZ R7， LP1 ;循環(huán)次數(shù)未到，轉(zhuǎn)LP1

CPL P1.0 ;循環(huán)次數(shù)已到，P1.0腳電平改變

MOV R7， #14H ;循環(huán)已完成，R7重新賦初值

LP1: RETI

ORG 001BH ;定時(shí)/計(jì)數(shù)器1中斷服務(wù)程序

CPL P1.7 ;P1.7腳電平改變

MOV TH1， #0D8H ;定時(shí)/計(jì)數(shù)器1重裝載(高8位)

MOV TL1， #0F0H ;定時(shí)/計(jì)數(shù)器1重裝載(低8位)

RETI

4 結(jié)論

該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于筆者所從事的控制系統(tǒng)中，經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，有效地降低了主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，大大降低了主控計(jì)算機(jī)因系統(tǒng)復(fù)雜、中斷源較多而出現(xiàn)意外死機(jī)的概率，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。而且該系統(tǒng)本身只需一塊電路板，芯片也較少，成本低，有很大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]吳炳勝，王桂梅. 80C51單片機(jī)原理與應(yīng)用[M] .北京:冶金工業(yè)出版社，2001.

[2]丁元杰. 單片機(jī)微機(jī)原理及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社， 2002.

[3]劉樂善.微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用[M].華中科技大學(xué)出版社，2000.

作者簡(jiǎn)介：王賢亮，男，本科，畢業(yè)于北京理工大學(xué)。目前在武漢華中光電技術(shù)研究所工作，從事光電跟蹤與自動(dòng)控制技術(shù)研究。