單片機(jī)在雙電機(jī)定位系統(tǒng)中應(yīng)用研究

彭愛(ài)紅　周華軍

摘要：雙電機(jī)定位是指在空間兩個(gè)垂直方向上各放置一個(gè)電機(jī)，通過(guò)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)械。就單片機(jī)在雙電機(jī)定位系統(tǒng)中應(yīng)用進(jìn)行分析，就電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)分析。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；電力控制電路；Aimegao

中圖分類號(hào)：G356.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3198(2009)14-0273-02

1單片機(jī)簡(jiǎn)介

單片機(jī)具有集成度高、功能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)合理、抗干擾性強(qiáng)和指令豐富的特點(diǎn)，它的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，原來(lái)很多用模擬電路、脈沖數(shù)字電路、邏輯部件來(lái)實(shí)現(xiàn)的功能，現(xiàn)在都可通過(guò)軟件來(lái)完成。ATMEL公司于1997年研發(fā)并推出了全新配置的、采用精簡(jiǎn)指令集RISC結(jié)構(gòu)的新型單片機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。在AVR家族中，Atmega8是一個(gè)非常特殊的單片機(jī)，它的芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，具有AVR高檔單片機(jī)系列的MEGA全部性能和特點(diǎn)，但由于采用了小引腳封裝(為DIP28和TQEP/MLF32)。所以其價(jià)格僅與低檔單片機(jī)相當(dāng)，成為具有極高性價(jià)比、深受廣大用戶喜愛(ài)的單片機(jī)。

2單片機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)主要完成給定的輸入，兩路控制脈沖的輸出，調(diào)速電壓的控制信號(hào)RWM波的輸出，還有對(duì)反饋脈沖的輸入。具體的是單片機(jī)通過(guò)通用異步串行通訊口，接收上位機(jī)來(lái)自圖像處理器的目標(biāo)數(shù)據(jù)，然后單片機(jī)在其內(nèi)部轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的控制信號(hào)，并輸出給它的下一綴，也即主電路，從而控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和啟停。同時(shí)單片機(jī)還要完成PWM波的輸出，控制斬波電路，從而控制電機(jī)兩端的電壓。進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)以后，單片機(jī)要實(shí)時(shí)檢測(cè)來(lái)自光電碼盤的反饋脈沖。并與目標(biāo)值(給定值)相比較，決定關(guān)閉輸出的時(shí)刻。

2.1單片機(jī)系統(tǒng)的時(shí)鐘振蕩電路

Atmega8的XATU和XATL2引腳分別是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入、輸出端。可在外部連接一個(gè)石英晶體或陶瓷振蕩器，組成系統(tǒng)的時(shí)鐘源。無(wú)論外接使用的是石英晶體還是陶瓷振蕩器，電容Cl和c2的值總是相等的。本系統(tǒng)中電容C1，c2的值選擇為30pF。其中，+5V的電源接到了單片機(jī)的電源輸入端。同時(shí)單片機(jī)的電源輸入端還外接了一個(gè)電容。然后接地，這樣設(shè)計(jì)的目的是為了防止外接干擾信號(hào)對(duì)單片機(jī)的電源產(chǎn)生影響，因?yàn)殡娫措妷旱牟▌?dòng)會(huì)影響到單片機(jī)輸出口輸出的高電平的電壓大小，也就影響了單片機(jī)輸出的控制信號(hào)，從而影響到后級(jí)電路。這樣設(shè)計(jì)也是硬件可靠設(shè)計(jì)的一個(gè)方面。

2.2單片機(jī)復(fù)位電路

單片機(jī)的復(fù)位方式有上電復(fù)位和手動(dòng)按鍵復(fù)位2種。復(fù)位電路中的電阻。電容數(shù)值的設(shè)置，是為了確保引RST腳至少保持z個(gè)機(jī)器周期的高電平而完成復(fù)位過(guò)程。工作原理，上電瞬間，RST端電壓與VCC相同，隨著充電電流的減少。RST端的電位逐漸下降。只要RST端有足夠長(zhǎng)的時(shí)間的電壓在閡值以上就可以復(fù)位。

3電機(jī)位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)方案

對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制可以分為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)兩大類。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，能夠滿足一般的控制要求，閉環(huán)系統(tǒng)則用于精度控制的要求。

由于本系統(tǒng)工作的環(huán)境范圍只是在一個(gè)有限的，且相對(duì)很小的空間里，所以對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)(確切地說(shuō)是電機(jī)實(shí)際角位移量)的精度要求比較高。實(shí)現(xiàn)對(duì)這些物理量的精確控制，就必須通過(guò)精度較高的檢測(cè)傳感器對(duì)這些物理進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)的結(jié)果轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，反饋給單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)對(duì)這些數(shù)進(jìn)行處理，處理的結(jié)果作為控制量對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。在本系統(tǒng)中，對(duì)電機(jī)位置的檢測(cè)，可以說(shuō)是系統(tǒng)的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)樗苯記Q定電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)數(shù)。確切的說(shuō)。電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)數(shù)又決定了執(zhí)行器件也即攝像頭的位置。也就是本系統(tǒng)二維定位的中心環(huán)節(jié)。所以如何設(shè)計(jì)電機(jī)位置檢測(cè)與反饋環(huán)節(jié)，是本文的一個(gè)重點(diǎn)。

4自制光電碼盤

基于對(duì)電動(dòng)機(jī)角位移要求較高的設(shè)甘要求，控制系統(tǒng)必須是個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。以滿足系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)要求。但是如何對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)際角位移進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并把檢測(cè)到的實(shí)際角位移量反饋給單片機(jī)，這也是本次設(shè)計(jì)的一個(gè)比較重要的硬件設(shè)計(jì)。在此情況下自制的光電碼盤便應(yīng)運(yùn)而生。

4.1光電碼盤的制作

光電編碼盤角度檢測(cè)傳感器是一種廣泛應(yīng)用的編碼式數(shù)字傳感器，它將測(cè)得的角位移轉(zhuǎn)換為脈沖形式的數(shù)字信號(hào)輸出。光電編碼盤角度檢測(cè)傳感器可分為兩種絕對(duì)式光電編碼盤和增量式光電編碼盤。絕對(duì)式編碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制葛萊碼方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。絕對(duì)式縮碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光，不透光的線條圖形，絕對(duì)編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測(cè)絕對(duì)位置。

本系統(tǒng)采用的是增量式光電編碼盤，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，在碼盤的兩側(cè)分別安裝光源和光敏元件，當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)。光源經(jīng)過(guò)透光和不透光區(qū)域，相應(yīng)地，每條碼道將有一系列不規(guī)則脈沖信號(hào)從光敏元件輸出。這樣碼道上有多少縫晾。當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，就會(huì)有多少個(gè)這種不規(guī)則脈沖輸出。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的角度即可通過(guò)自制的光電編碼盤檢測(cè)到，并以脈沖的形式反饋給單片機(jī)，在單片機(jī)中一記錄下來(lái)。以便我們進(jìn)行更為精確的位置計(jì)算。

4.2光電碼盤系統(tǒng)的原理

穿插在光電傳感器中間的，表示的碼盤的一部分，碼盤中間一段顏色較淺的部分表示的是碼盤上的孔。發(fā)光二極管發(fā)出的光可以透過(guò)碼盤上的孔照射到光敏三極管的基極。光敏三極管基極接收到光信號(hào)，之后導(dǎo)通，輸出電壓信號(hào)。這樣當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)到圓孔時(shí)則透光，光敏三極管可以接收到信號(hào)，光電傳感器的輸出端便有電壓信號(hào)輸出，當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)到它不透光的部位，也就是沒(méi)有孔的地方。對(duì)準(zhǔn)光電傳感器時(shí)，光敏三極管就收不到光信號(hào)，因而輸出端沒(méi)有電壓信號(hào)輸出。

5整形電路設(shè)計(jì)

由于光電碼盤的輸出要與單片機(jī)相連，單片機(jī)T/CO的時(shí)鐘源外部輸入引腳與此相連。這樣相連的目的是通過(guò)單片機(jī)的計(jì)數(shù)器來(lái)計(jì)數(shù)，確定電機(jī)的實(shí)際位置的。也就是說(shuō)光電碼盤的輸出要觸發(fā)單片機(jī)T/CO計(jì)數(shù)，這就要求觸發(fā)脈沖要有足夠陡的上升沿，此波形并不是標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)，它的上升沿坡度很大，為了得到足夠陡的前沿脈沖信號(hào)，需要對(duì)上述光電碼盤輸出的信號(hào)進(jìn)行整形。已得到較理想的脈沖信號(hào)，觸發(fā)計(jì)數(shù)，因此需要設(shè)計(jì)整形電路。

整形電路的設(shè)計(jì)思路是這樣的，讓上述輸出的電壓跟一個(gè)定值相比較，如果電壓大于定值了，就表示這是一個(gè)可靠的脈沖，計(jì)數(shù)器可以計(jì)數(shù)(加1)，這樣不僅可以得到前沿足夠陡的脈沖信號(hào)，還可以防止小的干擾信號(hào)讓計(jì)數(shù)器T/CO誤計(jì)數(shù)。減小出現(xiàn)計(jì)數(shù)出錯(cuò)的現(xiàn)象的概率。增加了系統(tǒng)整體可靠性。在實(shí)際應(yīng)用電路中比較器選用的是集成器件LM339，它是一個(gè)內(nèi)部集成了4個(gè)比較器的集成芯片，由于LM339內(nèi)部輸出端沒(méi)有上拉電阻，所以在外接電路中需要接上這個(gè)上拉電阻。

6結(jié)語(yǔ)

本文就單片機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)的控制部分關(guān)鍵作用進(jìn)行分析。首先詳細(xì)介紹了硬件控制器，并進(jìn)行了控制方法原理的詳細(xì)介紹。除此之外，本章中還對(duì)整形電路進(jìn)行了原理分析，對(duì)整形波形進(jìn)行了理論分析。