基于单片机的闭环控速系统的设计
2015-01-20吴德道邵龙安何福保郭童军
吴德道 邵龙安 何福保 郭童军
摘要：熟悉机械手，特别是电动式机械手的驱动原理，理解各个自由度的独立驱动和机械手协调工作的一致性。课题主要利用了STC89C52单片机，L298N和HEDS9000（两通道高分辨率光学增量编码器模块），构建闭环负反馈控制系统实现了对直流电机的正反转停，精确调速控制。在控制软件设计中引入数字控制策略，并用电力电子的PWM方式实现。用12864液晶和键盘作为人机界面显示直流电机的运行状态并可以实现输入控制。
关键词：机械手；自由度；STC89C52； L298N；光学增量编码器；PWM
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）36-8837-02
机械手是近几十年发展起来的，由于它可以模仿人的手臂进行一些工作并且机械手作业的准确性和各种环境中完成工作的能力，在各个领域有广阔的发展前景。它可以代替人的繁重劳动以实现生产的机械化保护人身安全。机械手有四种驱动方式，其中电气驱动是最灵活的，而且可以实现机械手的闭环控制，本设计是关于电动式机械手的一个自由度的控制，结合DDC（直接数字控制系统），便可以实现机械手多个自由度的控制和协调。利用单片机构造一个闭环系统控制一个自由度，这样多个自由度就可以用多个这样的闭环系统进行控制 ， 然后利用单片机的通信功能，实现每个单片机通过串口与计算机进行通信，由上位机来发送命令，实现多个闭环系统的控制来达到控制机械手的多个自由度。在本设计中研究一个闭环控速系统。
图1 闭环控制系统结构框图
1 总体方案的设计
该系统结构如图1所示，系统采用STC89C52单片机作为控制器，由于STC89C52单片机I/O口输出电流能力很小，所以采用L298N芯片来驱动直流电机，并且L298N内部的H桥可以实现单片机的直接正、反转切换并且该芯片很容易配合单片机进行PWM调速。系统采用12864液晶来显示直流电机的速度和运行状态。
2 主要接口电路的设计
2.1 L298N直流电机驱动电路
L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。
2.2 显示模块与单片机连接
本设计以12864作为显示模块来与单片机相连，其中DB0～DB7与单片机P0（P0.0～P0.7） 口对应连接，在具体的实物连接时，视情况连接上拉电阻，具体连接方式如图3所示。
3 测速方案
由于现在的码盘精度可以做的很高，测速非常的精准，所以光电编码器测速用的比较广泛。具体的详细工作原理要根据选用的光学编码器。本设计选用的是两通道高分辨光学增量编码器，码盘的精度为888线，即每旋转一周可以得到888个脉冲。测速方法：把其中一个通道连接到52单片机的T0口。假设1S得到的脉冲个数为N. 那么电机的转速为 （N/888） *60 （r/min）。
4 结论
本设计电路结构简单，采用STC89C52单片机为核心，以L298N芯片驱动直流电机，用12864作为显示模块与单片机相连，本次设计中在硬件上需要注意的是码盘精度，软件上是按键在正反切换时，需要关闭所有定时器并且把和电机速度有关的几个参数清零，并且相应的给定时器T1从新赋初值，外部计数值TH0，TL0清零，再重新开启定时器，以及涉及中断优先级的问题。
参考文献：
[1] 徐泳龙.单片机原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2004.
[2] 谢维成，杨加国.单片机原理与应用[M].清华大学出版社，2009.
摘要：熟悉机械手，特别是电动式机械手的驱动原理，理解各个自由度的独立驱动和机械手协调工作的一致性。课题主要利用了STC89C52单片机，L298N和HEDS9000（两通道高分辨率光学增量编码器模块），构建闭环负反馈控制系统实现了对直流电机的正反转停，精确调速控制。在控制软件设计中引入数字控制策略，并用电力电子的PWM方式实现。用12864液晶和键盘作为人机界面显示直流电机的运行状态并可以实现输入控制。
关键词：机械手；自由度；STC89C52； L298N；光学增量编码器；PWM
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）36-8837-02
机械手是近几十年发展起来的，由于它可以模仿人的手臂进行一些工作并且机械手作业的准确性和各种环境中完成工作的能力，在各个领域有广阔的发展前景。它可以代替人的繁重劳动以实现生产的机械化保护人身安全。机械手有四种驱动方式，其中电气驱动是最灵活的，而且可以实现机械手的闭环控制，本设计是关于电动式机械手的一个自由度的控制，结合DDC（直接数字控制系统），便可以实现机械手多个自由度的控制和协调。利用单片机构造一个闭环系统控制一个自由度，这样多个自由度就可以用多个这样的闭环系统进行控制 ， 然后利用单片机的通信功能，实现每个单片机通过串口与计算机进行通信，由上位机来发送命令，实现多个闭环系统的控制来达到控制机械手的多个自由度。在本设计中研究一个闭环控速系统。
图1 闭环控制系统结构框图
1 总体方案的设计
该系统结构如图1所示，系统采用STC89C52单片机作为控制器，由于STC89C52单片机I/O口输出电流能力很小，所以采用L298N芯片来驱动直流电机，并且L298N内部的H桥可以实现单片机的直接正、反转切换并且该芯片很容易配合单片机进行PWM调速。系统采用12864液晶来显示直流电机的速度和运行状态。
2 主要接口电路的设计
2.1 L298N直流电机驱动电路
L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。
2.2 显示模块与单片机连接
本设计以12864作为显示模块来与单片机相连，其中DB0～DB7与单片机P0（P0.0～P0.7） 口对应连接，在具体的实物连接时，视情况连接上拉电阻，具体连接方式如图3所示。
3 测速方案
由于现在的码盘精度可以做的很高，测速非常的精准，所以光电编码器测速用的比较广泛。具体的详细工作原理要根据选用的光学编码器。本设计选用的是两通道高分辨光学增量编码器，码盘的精度为888线，即每旋转一周可以得到888个脉冲。测速方法：把其中一个通道连接到52单片机的T0口。假设1S得到的脉冲个数为N. 那么电机的转速为 （N/888） *60 （r/min）。
4 结论
本设计电路结构简单，采用STC89C52单片机为核心，以L298N芯片驱动直流电机，用12864作为显示模块与单片机相连，本次设计中在硬件上需要注意的是码盘精度，软件上是按键在正反切换时，需要关闭所有定时器并且把和电机速度有关的几个参数清零，并且相应的给定时器T1从新赋初值，外部计数值TH0，TL0清零，再重新开启定时器，以及涉及中断优先级的问题。
参考文献：
[1] 徐泳龙.单片机原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2004.
[2] 谢维成，杨加国.单片机原理与应用[M].清华大学出版社，2009.
摘要：熟悉机械手，特别是电动式机械手的驱动原理，理解各个自由度的独立驱动和机械手协调工作的一致性。课题主要利用了STC89C52单片机，L298N和HEDS9000（两通道高分辨率光学增量编码器模块），构建闭环负反馈控制系统实现了对直流电机的正反转停，精确调速控制。在控制软件设计中引入数字控制策略，并用电力电子的PWM方式实现。用12864液晶和键盘作为人机界面显示直流电机的运行状态并可以实现输入控制。
关键词：机械手；自由度；STC89C52； L298N；光学增量编码器；PWM
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）36-8837-02
机械手是近几十年发展起来的，由于它可以模仿人的手臂进行一些工作并且机械手作业的准确性和各种环境中完成工作的能力，在各个领域有广阔的发展前景。它可以代替人的繁重劳动以实现生产的机械化保护人身安全。机械手有四种驱动方式，其中电气驱动是最灵活的，而且可以实现机械手的闭环控制，本设计是关于电动式机械手的一个自由度的控制，结合DDC（直接数字控制系统），便可以实现机械手多个自由度的控制和协调。利用单片机构造一个闭环系统控制一个自由度，这样多个自由度就可以用多个这样的闭环系统进行控制 ， 然后利用单片机的通信功能，实现每个单片机通过串口与计算机进行通信，由上位机来发送命令，实现多个闭环系统的控制来达到控制机械手的多个自由度。在本设计中研究一个闭环控速系统。
图1 闭环控制系统结构框图
1 总体方案的设计
该系统结构如图1所示，系统采用STC89C52单片机作为控制器，由于STC89C52单片机I/O口输出电流能力很小，所以采用L298N芯片来驱动直流电机，并且L298N内部的H桥可以实现单片机的直接正、反转切换并且该芯片很容易配合单片机进行PWM调速。系统采用12864液晶来显示直流电机的速度和运行状态。
2 主要接口电路的设计
2.1 L298N直流电机驱动电路
L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。
2.2 显示模块与单片机连接
本设计以12864作为显示模块来与单片机相连，其中DB0～DB7与单片机P0（P0.0～P0.7） 口对应连接，在具体的实物连接时，视情况连接上拉电阻，具体连接方式如图3所示。
3 测速方案
由于现在的码盘精度可以做的很高，测速非常的精准，所以光电编码器测速用的比较广泛。具体的详细工作原理要根据选用的光学编码器。本设计选用的是两通道高分辨光学增量编码器，码盘的精度为888线，即每旋转一周可以得到888个脉冲。测速方法：把其中一个通道连接到52单片机的T0口。假设1S得到的脉冲个数为N. 那么电机的转速为 （N/888） *60 （r/min）。
4 结论
本设计电路结构简单，采用STC89C52单片机为核心，以L298N芯片驱动直流电机，用12864作为显示模块与单片机相连，本次设计中在硬件上需要注意的是码盘精度，软件上是按键在正反切换时，需要关闭所有定时器并且把和电机速度有关的几个参数清零，并且相应的给定时器T1从新赋初值，外部计数值TH0，TL0清零，再重新开启定时器，以及涉及中断优先级的问题。
参考文献：
[1] 徐泳龙.单片机原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2004.
[2] 谢维成，杨加国.单片机原理与应用[M].清华大学出版社，2009.
