基于單片機(jī)的閉環(huán)控速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳德道　邵龍安　何福?！」?/p>

摘要：熟悉機(jī)械手，特別是電動(dòng)式機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)原理，理解各個(gè)自由度的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和機(jī)械手協(xié)調(diào)工作的一致性。課題主要利用了STC89C52單片機(jī)，L298N和HEDS9000（兩通道高分辨率光學(xué)增量編碼器模塊），構(gòu)建閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)停，精確調(diào)速控制。在控制軟件設(shè)計(jì)中引入數(shù)字控制策略，并用電力電子的PWM方式實(shí)現(xiàn)。用12864液晶和鍵盤作為人機(jī)界面顯示直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)并可以實(shí)現(xiàn)輸入控制。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；自由度；STC89C52； L298N；光學(xué)增量編碼器；PWM

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）36-8837-02

機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的，由于它可以模仿人的手臂進(jìn)行一些工作并且機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成工作的能力，在各個(gè)領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。它可以代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化保護(hù)人身安全。機(jī)械手有四種驅(qū)動(dòng)方式，其中電氣驅(qū)動(dòng)是最靈活的，而且可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的閉環(huán)控制，本設(shè)計(jì)是關(guān)于電動(dòng)式機(jī)械手的一個(gè)自由度的控制，結(jié)合DDC（直接數(shù)字控制系統(tǒng)），便可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手多個(gè)自由度的控制和協(xié)調(diào)。利用單片機(jī)構(gòu)造一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)控制一個(gè)自由度，這樣多個(gè)自由度就可以用多個(gè)這樣的閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行控制 ， 然后利用單片機(jī)的通信功能，實(shí)現(xiàn)每個(gè)單片機(jī)通過串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，由上位機(jī)來發(fā)送命令，實(shí)現(xiàn)多個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的控制來達(dá)到控制機(jī)械手的多個(gè)自由度。在本設(shè)計(jì)中研究一個(gè)閉環(huán)控速系統(tǒng)。

圖1 閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 總體方案的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為控制器，由于STC89C52單片機(jī)I/O口輸出電流能力很小，所以采用L298N芯片來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，并且L298N內(nèi)部的H橋可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的直接正、反轉(zhuǎn)切換并且該芯片很容易配合單片機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速。系統(tǒng)采用12864液晶來顯示直流電機(jī)的速度和運(yùn)行狀態(tài)。

2 主要接口電路的設(shè)計(jì)

2.1 L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。

2.2 顯示模塊與單片機(jī)連接

本設(shè)計(jì)以12864作為顯示模塊來與單片機(jī)相連，其中DB0～DB7與單片機(jī)P0（P0.0～P0.7） 口對(duì)應(yīng)連接，在具體的實(shí)物連接時(shí)，視情況連接上拉電阻，具體連接方式如圖3所示。

3 測(cè)速方案

由于現(xiàn)在的碼盤精度可以做的很高，測(cè)速非常的精準(zhǔn)，所以光電編碼器測(cè)速用的比較廣泛。具體的詳細(xì)工作原理要根據(jù)選用的光學(xué)編碼器。本設(shè)計(jì)選用的是兩通道高分辨光學(xué)增量編碼器，碼盤的精度為888線，即每旋轉(zhuǎn)一周可以得到888個(gè)脈沖。測(cè)速方法：把其中一個(gè)通道連接到52單片機(jī)的T0口。假設(shè)1S得到的脈沖個(gè)數(shù)為N. 那么電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 （N/888） *60 （r/min）。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用STC89C52單片機(jī)為核心，以L298N芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，用12864作為顯示模塊與單片機(jī)相連，本次設(shè)計(jì)中在硬件上需要注意的是碼盤精度，軟件上是按鍵在正反切換時(shí)，需要關(guān)閉所有定時(shí)器并且把和電機(jī)速度有關(guān)的幾個(gè)參數(shù)清零，并且相應(yīng)的給定時(shí)器T1從新賦初值，外部計(jì)數(shù)值TH0，TL0清零，再重新開啟定時(shí)器，以及涉及中斷優(yōu)先級(jí)的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐泳龍.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2] 謝維成，楊加國(guó).單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2009.

摘要：熟悉機(jī)械手，特別是電動(dòng)式機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)原理，理解各個(gè)自由度的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和機(jī)械手協(xié)調(diào)工作的一致性。課題主要利用了STC89C52單片機(jī)，L298N和HEDS9000（兩通道高分辨率光學(xué)增量編碼器模塊），構(gòu)建閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)停，精確調(diào)速控制。在控制軟件設(shè)計(jì)中引入數(shù)字控制策略，并用電力電子的PWM方式實(shí)現(xiàn)。用12864液晶和鍵盤作為人機(jī)界面顯示直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)并可以實(shí)現(xiàn)輸入控制。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；自由度；STC89C52； L298N；光學(xué)增量編碼器；PWM

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）36-8837-02

機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的，由于它可以模仿人的手臂進(jìn)行一些工作并且機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成工作的能力，在各個(gè)領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。它可以代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化保護(hù)人身安全。機(jī)械手有四種驅(qū)動(dòng)方式，其中電氣驅(qū)動(dòng)是最靈活的，而且可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的閉環(huán)控制，本設(shè)計(jì)是關(guān)于電動(dòng)式機(jī)械手的一個(gè)自由度的控制，結(jié)合DDC（直接數(shù)字控制系統(tǒng)），便可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手多個(gè)自由度的控制和協(xié)調(diào)。利用單片機(jī)構(gòu)造一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)控制一個(gè)自由度，這樣多個(gè)自由度就可以用多個(gè)這樣的閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行控制 ， 然后利用單片機(jī)的通信功能，實(shí)現(xiàn)每個(gè)單片機(jī)通過串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，由上位機(jī)來發(fā)送命令，實(shí)現(xiàn)多個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的控制來達(dá)到控制機(jī)械手的多個(gè)自由度。在本設(shè)計(jì)中研究一個(gè)閉環(huán)控速系統(tǒng)。

圖1 閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 總體方案的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為控制器，由于STC89C52單片機(jī)I/O口輸出電流能力很小，所以采用L298N芯片來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，并且L298N內(nèi)部的H橋可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的直接正、反轉(zhuǎn)切換并且該芯片很容易配合單片機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速。系統(tǒng)采用12864液晶來顯示直流電機(jī)的速度和運(yùn)行狀態(tài)。

2 主要接口電路的設(shè)計(jì)

2.1 L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。

2.2 顯示模塊與單片機(jī)連接

本設(shè)計(jì)以12864作為顯示模塊來與單片機(jī)相連，其中DB0～DB7與單片機(jī)P0（P0.0～P0.7） 口對(duì)應(yīng)連接，在具體的實(shí)物連接時(shí)，視情況連接上拉電阻，具體連接方式如圖3所示。

3 測(cè)速方案

由于現(xiàn)在的碼盤精度可以做的很高，測(cè)速非常的精準(zhǔn)，所以光電編碼器測(cè)速用的比較廣泛。具體的詳細(xì)工作原理要根據(jù)選用的光學(xué)編碼器。本設(shè)計(jì)選用的是兩通道高分辨光學(xué)增量編碼器，碼盤的精度為888線，即每旋轉(zhuǎn)一周可以得到888個(gè)脈沖。測(cè)速方法：把其中一個(gè)通道連接到52單片機(jī)的T0口。假設(shè)1S得到的脈沖個(gè)數(shù)為N. 那么電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 （N/888） *60 （r/min）。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用STC89C52單片機(jī)為核心，以L298N芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，用12864作為顯示模塊與單片機(jī)相連，本次設(shè)計(jì)中在硬件上需要注意的是碼盤精度，軟件上是按鍵在正反切換時(shí)，需要關(guān)閉所有定時(shí)器并且把和電機(jī)速度有關(guān)的幾個(gè)參數(shù)清零，并且相應(yīng)的給定時(shí)器T1從新賦初值，外部計(jì)數(shù)值TH0，TL0清零，再重新開啟定時(shí)器，以及涉及中斷優(yōu)先級(jí)的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐泳龍.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2] 謝維成，楊加國(guó).單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2009.

摘要：熟悉機(jī)械手，特別是電動(dòng)式機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)原理，理解各個(gè)自由度的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和機(jī)械手協(xié)調(diào)工作的一致性。課題主要利用了STC89C52單片機(jī)，L298N和HEDS9000（兩通道高分辨率光學(xué)增量編碼器模塊），構(gòu)建閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)停，精確調(diào)速控制。在控制軟件設(shè)計(jì)中引入數(shù)字控制策略，并用電力電子的PWM方式實(shí)現(xiàn)。用12864液晶和鍵盤作為人機(jī)界面顯示直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)并可以實(shí)現(xiàn)輸入控制。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；自由度；STC89C52； L298N；光學(xué)增量編碼器；PWM

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）36-8837-02

機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的，由于它可以模仿人的手臂進(jìn)行一些工作并且機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成工作的能力，在各個(gè)領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。它可以代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化保護(hù)人身安全。機(jī)械手有四種驅(qū)動(dòng)方式，其中電氣驅(qū)動(dòng)是最靈活的，而且可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的閉環(huán)控制，本設(shè)計(jì)是關(guān)于電動(dòng)式機(jī)械手的一個(gè)自由度的控制，結(jié)合DDC（直接數(shù)字控制系統(tǒng)），便可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手多個(gè)自由度的控制和協(xié)調(diào)。利用單片機(jī)構(gòu)造一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)控制一個(gè)自由度，這樣多個(gè)自由度就可以用多個(gè)這樣的閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行控制 ， 然后利用單片機(jī)的通信功能，實(shí)現(xiàn)每個(gè)單片機(jī)通過串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，由上位機(jī)來發(fā)送命令，實(shí)現(xiàn)多個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的控制來達(dá)到控制機(jī)械手的多個(gè)自由度。在本設(shè)計(jì)中研究一個(gè)閉環(huán)控速系統(tǒng)。

圖1 閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 總體方案的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為控制器，由于STC89C52單片機(jī)I/O口輸出電流能力很小，所以采用L298N芯片來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，并且L298N內(nèi)部的H橋可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的直接正、反轉(zhuǎn)切換并且該芯片很容易配合單片機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速。系統(tǒng)采用12864液晶來顯示直流電機(jī)的速度和運(yùn)行狀態(tài)。

2 主要接口電路的設(shè)計(jì)

2.1 L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。

2.2 顯示模塊與單片機(jī)連接

本設(shè)計(jì)以12864作為顯示模塊來與單片機(jī)相連，其中DB0～DB7與單片機(jī)P0（P0.0～P0.7） 口對(duì)應(yīng)連接，在具體的實(shí)物連接時(shí)，視情況連接上拉電阻，具體連接方式如圖3所示。

3 測(cè)速方案

由于現(xiàn)在的碼盤精度可以做的很高，測(cè)速非常的精準(zhǔn)，所以光電編碼器測(cè)速用的比較廣泛。具體的詳細(xì)工作原理要根據(jù)選用的光學(xué)編碼器。本設(shè)計(jì)選用的是兩通道高分辨光學(xué)增量編碼器，碼盤的精度為888線，即每旋轉(zhuǎn)一周可以得到888個(gè)脈沖。測(cè)速方法：把其中一個(gè)通道連接到52單片機(jī)的T0口。假設(shè)1S得到的脈沖個(gè)數(shù)為N. 那么電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 （N/888） *60 （r/min）。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用STC89C52單片機(jī)為核心，以L298N芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，用12864作為顯示模塊與單片機(jī)相連，本次設(shè)計(jì)中在硬件上需要注意的是碼盤精度，軟件上是按鍵在正反切換時(shí)，需要關(guān)閉所有定時(shí)器并且把和電機(jī)速度有關(guān)的幾個(gè)參數(shù)清零，并且相應(yīng)的給定時(shí)器T1從新賦初值，外部計(jì)數(shù)值TH0，TL0清零，再重新開啟定時(shí)器，以及涉及中斷優(yōu)先級(jí)的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐泳龍.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2] 謝維成，楊加國(guó).單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2009.