STC15F單片機(jī)的自動(dòng)控制位移小車程序設(shè)計(jì)

ID:424995 · 發(fā)表于 2019-6-19 21:03

概述

此系統(tǒng)采用IAP15F2K60S2單片機(jī)作為主控芯片，控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)小車移動(dòng)，使用超聲波傳感器來(lái)測(cè)量小車位移，實(shí)現(xiàn)小車行進(jìn)指定位移的功能。顯示部分使用LCD1602液晶屏。
主要由單片機(jī)控制器、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、超聲波傳感器測(cè)距電路、顯示電路、鎖定裝置等部分組成。
核心在于如何能夠驅(qū)動(dòng)電機(jī)穩(wěn)定又準(zhǔn)確轉(zhuǎn)動(dòng)，以及如何構(gòu)建適當(dāng)?shù)姆答佅到y(tǒng)來(lái)確保小車位移的準(zhǔn)確性。
反饋控制系統(tǒng)如圖2.1所示；系統(tǒng)通過(guò)按鍵模塊將目標(biāo)位移值輸入反饋控制鏈中，當(dāng)前位移值與目標(biāo)值作差；控制系統(tǒng)對(duì)差值控制，在某一閾值之前，系統(tǒng)保持高速前進(jìn)，到達(dá)閾值之后，使得小車能夠逐漸減速并且最終能夠在目標(biāo)值處停下。其中使用超聲波測(cè)距作為負(fù)反饋，在密閉的空間內(nèi)能夠擁有很好地精度，也能確定小車當(dāng)前的位移，是良好的反饋系統(tǒng)。

圖2.1 反饋控制系統(tǒng)框圖

圖2.2 系統(tǒng)連接框圖
以模型小車為載體，各個(gè)模塊都需要安裝在小車上。系統(tǒng)的連接如圖2.2所示，按鍵模塊對(duì)應(yīng)位移控制系統(tǒng)的輸入，CUP對(duì)應(yīng)著系統(tǒng)的程序部分，超聲波測(cè)距對(duì)應(yīng)著反饋部分。驅(qū)動(dòng)部分接收來(lái)自MCU的命令，通過(guò)ENA的PWM的占空比以調(diào)節(jié)小車的行進(jìn)。直流電機(jī)控制著傳動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)小車的位移。具體的連線圖參考圖2.3.
按鍵模塊接收輸入信息和控制命令，系統(tǒng)通過(guò)測(cè)距模塊采集距離信息，經(jīng)過(guò)反饋算法之后，將通過(guò)ENA、IN1和IN2的狀態(tài)自動(dòng)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)等，最終使得小車的行進(jìn)距離與輸入值相等。

圖2.3 電路連線圖
一、電機(jī)驅(qū)動(dòng)
1、模塊簡(jiǎn)介

該模塊主控芯片為L(zhǎng)298N，一種雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其中每個(gè)H橋可以提供2A的電流，功率部分的供電電壓范圍是2.5-48v，邏輯部分5v供電，接受5vTTL電平。其實(shí)質(zhì)類似于一個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)，不過(guò)能夠提供較大的電流。

該模塊共有13個(gè)接口，此次項(xiàng)目將會(huì)使用到的共有8個(gè)：兩個(gè)使能接口IN1、IN2，12V供電接口，GND接口，5V電源接口，驅(qū)動(dòng)接口C、D，PWM控制接口ENA。本系統(tǒng)中12V供電接口接入的是9V電池，作為整個(gè)系統(tǒng)的供電；5V接口作為電源輸出為單片機(jī)及其它外設(shè)供電；C、D接口與直流電機(jī)相連，當(dāng)IN1、IN2接口接入的數(shù)值是10時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，01電機(jī)反轉(zhuǎn)，00及11電機(jī)不轉(zhuǎn)。

表3.1 L298N控制

IN1	IN2	工作狀態(tài)
0	0	停止
1	0	正轉(zhuǎn)
0	1	反轉(zhuǎn)
1	1	停止

2、功能實(shí)現(xiàn)

控制小車行進(jìn)速度的方法就是，通過(guò)調(diào)節(jié)控制接口ENA的PWM波占空比，來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)與否以及時(shí)長(zhǎng)，如此控制小車的勻速減速等工作狀態(tài)。

這里使用定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM波的輸出：每當(dāng)定時(shí)時(shí)間來(lái)臨，計(jì)數(shù)單位加一，達(dá)到一百就置零；而當(dāng)計(jì)數(shù)單位小于占空比時(shí)，PWM輸出口置1，否則清零。代碼參考附錄L298N.c。

二、超聲波測(cè)距
1、模塊簡(jiǎn)介

選用常見(jiàn)的HC-SR04超聲波模塊，該模塊使用直流5.0V供電，可探測(cè)距離為2cm-450cm，精度能夠達(dá)到0.2cm，各參數(shù)基本符合此次項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。該模塊共有四個(gè)接口，其中VCC、GND為電源接口，TRIG控制接口、Echo為數(shù)據(jù)接口。

使用步驟有三：

（1）觸發(fā)測(cè)距：IO口TRIG觸發(fā)，至少給10us的高電平信號(hào)；

（2）模塊內(nèi)部自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；

（3）有信號(hào)返回，Echo輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間。

可以根據(jù)超聲波傳輸?shù)臅r(shí)間計(jì)算出測(cè)量的距離：

2

t即為高電平持續(xù)的時(shí)間，c為聲速340m/s。

2、功能實(shí)現(xiàn)

程序里，利用外部中斷來(lái)接受來(lái)自Echo的高電平，上升沿定時(shí)器1開(kāi)始計(jì)數(shù)，下降沿定時(shí)器計(jì)數(shù)結(jié)束。將計(jì)數(shù)時(shí)間乘以音速，再除以2便可得到測(cè)距的結(jié)果。

值得注意的是：此超聲波測(cè)距模塊測(cè)得的距離并不是那么準(zhǔn)確，導(dǎo)致前后數(shù)據(jù)的差值較大。鑒于此，在獲得距離之前，先進(jìn)行五次測(cè)距，取它們的平均值作為當(dāng)前測(cè)得的距離。另外這部分的重要性是毋庸置疑的，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程之初，沒(méi)有進(jìn)行均值濾波之前，小車在到達(dá)目標(biāo)1cm左右的位置時(shí)，小車會(huì)來(lái)回的抖動(dòng)。一方面是由于當(dāng)時(shí)控制的頻率太高，而另一方面正是由于測(cè)得的距離有著十足的誤差。代碼請(qǐng)參考附錄wave.c。

三、控制算法

為了實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制，這里使用了業(yè)內(nèi)常常使用到了PID算法來(lái)控制PWM波的占空比，通過(guò)對(duì)偏差的比例、積分、微分進(jìn)行控制，使偏差趨于零的過(guò)程。

系統(tǒng)每隔1ms進(jìn)行一次采樣，之后進(jìn)行一次PID算法。

PID控制一般有兩種寫(xiě)法，一個(gè)是位置式，另一個(gè)是增量式。位置式需要進(jìn)行累加的操作，而此系統(tǒng)的主控芯片為IAP15F2K61S2，其存儲(chǔ)與計(jì)算能力一般，于是這里采用增量式。

增量式程序：

//PID控制

//move 與 deta的關(guān)系，最終使得 move = objective

if(caiyang_FLAG_)

{

deta_ID[2]=deta;//采樣 PWM_deta=Kp*(deta_ID[2]-deta_ID[1])+Ki*deta_ID[2]+Kd*(deta_ID[2]-2*deta_ID[1]+deta_ID[0]);

PWM_ID[1]= PWM_ID[0]+PWM_deta;

PWM=(uint)PWM_ID[1];

//準(zhǔn)備下一輪控制

PWM_ID[0]=PWM_ID[1];

deta_ID[0]=deta_ID[1];

deta_ID[1]=deta_ID[2];

}

if(deta>0)

Z_F= 1;

else

Z_F= 2;

mada();

此外，為了解決系統(tǒng)到達(dá)位置之后的原地抖動(dòng)問(wèn)題，以及消除到達(dá)之后受到人為遮擋會(huì)引起小車強(qiáng)烈反應(yīng)的情況。又引入了消抖算法：小車位于指定位置±0.5cm的距離1秒鐘以上時(shí)，視為調(diào)節(jié)結(jié)束，小車停止運(yùn)動(dòng)。這里使用定時(shí)器來(lái)確定一秒的時(shí)間。

代碼如下：

START是能直接控制小車是否運(yùn)動(dòng)的標(biāo)志，STOP是記錄小車能否保持±0.5cm的標(biāo)志。

if(deta<= 0.5 && deta >= -0.5)

sanmiao = 1;

//一旦deta的絕對(duì)值小于0.5，電機(jī)暫停控制

if(sanmiao == 1)

{

if(deta > 0.5 ||deta < -0.5)

{//跳出暫停

STOP = 0;

sanmiao_flag =0;

sanmiao = 0;

}

else

{

STOP = 1;

}

定時(shí)器處理函數(shù)里面：

if(sanmiao== 1 )

{

if(sanmiao_flag++ == 10000)

{

sanmiao_flag = 0;

sanmiao = 0;

if(STOP == 1)

START = 0;

}

四、其他功能模塊1、4*4按鍵模塊：

4*4矩陣功能如下：

1 2 3 A

4 5 6 B

7 8 9 C

* 0 # D，

其中A按鍵控制讀入初始距離，B按鍵一鍵開(kāi)始，C按鍵停止運(yùn)動(dòng)，D按鍵切換前進(jìn)后退，*按鍵重新輸入，#按鍵確認(rèn)輸入，各數(shù)字按鍵進(jìn)行數(shù)字讀入。

2、電源模塊

由于小車需要移動(dòng)，系統(tǒng)必須使用移動(dòng)電源。而普通電池電量不夠充足，而且質(zhì)量太大，影響電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。故系統(tǒng)使用一節(jié)9V可充電電池供電，利用L298N的5V電源接口給單片機(jī)及其外設(shè)供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用9V供電。

3、顯示模塊

顯示部分使用LCD1602液晶顯示屏，也叫1602字符型液晶，它是一種專門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成。

共有16個(gè)接口，其中VSS、VDD、VO、A、K是電源接口，VSS、K接單片機(jī)的GND，VDD、A接單片機(jī)的VCC，VO接上變阻器；RS、RW、EN作為使能接口；其余8個(gè)引腳作為數(shù)據(jù)接口，以便顯示不同的ASCII或者自定義的字符。

實(shí)驗(yàn)中顯示初始距離、設(shè)定位移、當(dāng)前距離以及實(shí)時(shí)誤差。

單片機(jī)源程序如下:

/*******
位移控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：小車
設(shè)計(jì)編寫(xiě)：汪佳鋅
開(kāi)始時(shí)間：2019/6/4
結(jié)束時(shí)間：2019/6/8
最終時(shí)間：2019/6/8
功能：按鍵輸入指定位移，小于4米；
小車行進(jìn)到指定距離（位置）；
使用模塊：矩陣按鍵、超聲波、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、顯示模塊；
KBD_key.c\wave.c\L298N.c\LCD1602.c
按鍵功能：按鍵A：位置初始化；
數(shù)字按鍵 1，2，3，4,5,6,7,8,9,0:輸入數(shù)字，百十個(gè)CM
按鍵#：確認(rèn)輸入；
按鍵*：重新輸入；
按鍵A：位置初始化；
按鍵B：一鍵開(kāi)始;
按鍵C：手動(dòng)停止；
按鍵D: '+'/'-';
1、2、3、A
4、5、6、B
7、8、9、C
*、0、#、D
顯示區(qū)域：1：
2：
*******/
#include <STC15F2K60S2.h>
#include <intrins.h>
#include "timer0.h"
#include "L298N.h"
#include "wave.h"
#include "LCD1602.h"
#include "KBD_keys.h"
#define MAX 400
//#ifndef uchar
//typedef unsigned char uchar;
//#endif
//#ifndef uchar
//typedef unsigned int uint;
//#endif
enum keyState {state0,state1,state2};
bit key_FLAG_=1,mada_FLAG_=0,caiyang_FLAG_,wave_FLAG_,dsp_FLAG_,//定時(shí)器FLAG
QJ_HT=1,//前進(jìn)、后退
sanmiao=1,//一秒消抖
STOP=0, //一秒消抖就停止運(yùn)動(dòng)
START=0; //開(kāi)始、停止
uint key_flag=0,countB=0,caiyang_flag,wave_flag,dsp_flag,
sanmiao_flag,
T; //超聲波測(cè)距返回的時(shí)間
uchar Z_F, //馬達(dá)的狀態(tài)：0代表停，1正轉(zhuǎn)，2反轉(zhuǎn)；
key_value=44, //指按下了哪個(gè)按鍵；
add=0, //按鍵的指針，三位數(shù) 150、010、007
PWM=0; //0~100表示占空比
uchar aim[]={0,0,0}; //按鍵的輸入
float distance_caiyang=0,
deta=20, // -------------------------- 墻壁
//deta = 當(dāng)前位置-目標(biāo)位置，也是程序的控制對(duì)象 ---------------- d 終點(diǎn) 目標(biāo)位置distance_aim
distance=0, //當(dāng)前位置 o d i
distance_init=0, //初始位置 b eta s
distance_aim=0, //目標(biāo)位置=初始位置-目標(biāo)位移 j ^--^ tance 現(xiàn)在當(dāng)前位置
objective=0; //目的位移CM e |
// ctive |
//使用PID算法：P比例，I微分，D積分； -------------------------- 起點(diǎn) 初始位置distance_init
float deta_ID[3]; //用于微分和積分
float PWM_deta,Kp,Ki,Kd,zhongjian;
uchar PWM_ID[2];
void display(void);
void control();
void main()
{
uchar p=0;
Kp = 0.06;
Ki = 0.25;
Kd = 0.01;
deta_ID[0]=deta_ID[1]=0;
PWM_ID[0]=0;
Timer0_init();
LCD_init();
while(1)
{
//按鍵掃描，
if(key_FLAG_)
{
key_FLAG_ = 0;
key_value = key_scan();
if(key_value != 44)
{
key_hand(key_value);
}
}
//測(cè)距，六次取平均值
if(wave_FLAG_)
{
wave_FLAG_ = 0;
send_wave();
zhongjian += distance_caiyang;
if(p++ == 5)
{
distance=zhongjian/6;
zhongjian = 0;
p=0;
}
}
//顯示
if(dsp_FLAG_)
{
dsp_FLAG_ = 0;
display();
}
//電機(jī)控制
control();
// PWM = 50;
// Z_F = 1;
mada();
}
}
void control()
{
distance_aim = distance_init - objective;
deta = distance-distance_aim;
//deta = distance-distance_init+objective;
if(START == 1 && objective <= MAX && objective >= -MAX)
{
//控制部分
if(deta <= 0.5 && deta >= -0.5)
sanmiao = 1;
//一旦deta的絕對(duì)值小于0.5，電機(jī)暫停控制
if(sanmiao == 1)
{
if(deta > 0.5 || deta < -0.5)
{//跳出暫停
STOP = 0;
sanmiao_flag = 0;
sanmiao = 0;
}
else
{
STOP = 1;
}
}
else//
{
//分段控制
if(deta >= 100)
{ PWM = 70;Z_F = 1;}
else if(deta >= 50)
{ PWM = 50;Z_F = 1;}
else if(deta >= 10)
{ PWM = 30;Z_F = 1;}
else if(deta > 5)
{ PWM = 10;Z_F = 1;}
else if(deta > 0.5)
{ PWM = 5;Z_F = 1;}
else if(deta >= -0.5 && deta <= 0.5)
{ //START = 0;
PWM = 0;Z_F = 0;}
else if(deta >= -5)
{ PWM = 5 ;Z_F = 2;}
else if(deta >= -10 && deta < -5)
{ PWM = 10;Z_F = 2;}
else if(deta >= -50)
{ PWM = 30;Z_F = 2;}
else if(deta >= -100)
{ PWM = 50;Z_F = 2;}
else
{ PWM = 70;Z_F = 2;}
//PID控制
//move 與 deta的關(guān)系，最終使得 move = objective
// if(caiyang_FLAG_)
// {
// deta_ID[2]=deta;//采樣
//
// PWM_deta=Kp*(deta_ID[2]-deta_ID[1])+Ki*deta_ID[2]+Kd*(deta_ID[2]-2*deta_ID[1]+deta_ID[0]);
//
// PWM_ID[1] = PWM_ID[0]+PWM_deta;
// PWM=(uint)PWM_ID[1];
// //準(zhǔn)備下一輪控制
// PWM_ID[0]=PWM_ID[1];
// deta_ID[0]=deta_ID[1];
// deta_ID[1]=deta_ID[2];
// }
// if(deta>0)
// Z_F = 1;
// else
// Z_F = 2;
}
}
else
{
Z_F = 0;
ENB = 0;
ENA = 0;
}
//一秒無(wú)變化，停止運(yùn)動(dòng)
}
void key_hand(uchar key_value)
{
switch(key_value)
{
case 1:
case 2:
case 3:aim[add]=key_value;add++;break;
case 4:distance_init = distance;break;
case 5:
case 6:
case 7:aim[add]=key_value-1;add++;break;
case 8:START = 1;
sanmiao = 0; //開(kāi)始、停止
objective = aim[0]*100+aim[1]*10+aim[2]; //確認(rèn)輸入
if(QJ_HT == 0)//后退
{
objective = -objective;}
distance_init = distance; //位置初始化
break;//
case 9:
case 10:
case 11:aim[add]=key_value-2;add++;break;
case 12:START = 0;
break;
case 13:aim[0]=aim[1]=aim[2]=0;add=0;QJ_HT = 1;break;//重新輸入
case 14:aim[add]=0;add++;break;
case 15:objective = aim[0]*100+aim[1]*10+aim[2];//確認(rèn)輸入
if(QJ_HT == 0)//后退
{ objective = -objective;}
break;
case 16:QJ_HT = ~QJ_HT;break; //輸入前進(jìn)或后退
default:break;
}
if(add == 3)
add = 0;
}
void display()
{
LCD_write_com(0x80);
if(START == 1)
LCD_write_data('T');
else
LCD_write_data('P');
LCD_write_data(':');
display_32(distance_init);
LCD_write_data(' ');
if(QJ_HT == 1)
LCD_write_data('+');
else
LCD_write_data('-');
LCD_write_data('0'+aim[0]);
LCD_write_data('0'+aim[1]);
LCD_write_data('0'+aim[2]);
LCD_write_data('C');
LCD_write_data('M');
Delayms(1);
LCD_write_com(0x80+0x40);
if(objective >MAX || objective < -MAX)
{
LCD_write_string(2,1,"INPUT ERROR! ");
}
else
{
display_32(distance);
LCD_write_data(' ');
display_32(deta);
}
Delayms(1);
}
void Timer0_handle(void) interrupt 1
{
if(sanmiao == 1 )
{
if(sanmiao_flag++ == 10000)
{
sanmiao_flag = 0;
sanmiao = 0;
if(STOP == 1)
START = 0;
else
START = 1;
}
}
if(dsp_flag++ == 30) //LCD顯示3ms
{
dsp_FLAG_=1;
dsp_flag =0;
……………………
…………限于本文篇幅余下代碼請(qǐng)從51黑下載附件…………