【正文】 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙舵機的數(shù)字化控制器設(shè)計畢業(yè)論文目 錄引言 11 舵機控制系統(tǒng)概述 2 舵機工作原理 2 PID控制算法 2 PID控制系統(tǒng)的原理和特點 2 增量式PID算法 4 PID控制器參數(shù)的工程整定方法 42 AVR單片機概述 5 AVR單片機的優(yōu)勢特征 5 ATmega8L單片機的特點 6 8 A/D轉(zhuǎn)換器 9 103 串口通信 12 串口通信的作用 12 RS232C接口和MAX232芯片簡介 12 MAX232芯片引腳描述及其應(yīng)用 12 MAX232應(yīng)用電路介紹 13 144 驅(qū)動芯片 15 電機驅(qū)動芯片LG9110 15 電機驅(qū)動芯片L293D 165 硬件設(shè)計思路 18 系統(tǒng)基本原理 18 系統(tǒng)硬件設(shè)計 19 原理圖說明 196 系統(tǒng)軟件設(shè)計 20 系統(tǒng)主程序 20 20 20 PID子程序流程圖 22 程序設(shè)計思路 22 PD子程序說明 23 系統(tǒng)仿真 24 上位機 26 MSComm控件原理 26 277 系統(tǒng)調(diào)試 29 硬件調(diào)試 29 軟件調(diào)試 308 結(jié)論 31謝 辭 32參考文獻 33附 錄 34桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第50頁 共52頁引言 隨著高新技術(shù)在測控領(lǐng)域中的應(yīng)用，有力地促進了控制的系統(tǒng)化和精確化，然而，經(jīng)典的反饋控制、現(xiàn)代控制和大系統(tǒng)理論在應(yīng)用中遇到不少難題。首先，這些控制系統(tǒng)的設(shè)計和分析都是建立在精確的系統(tǒng)數(shù)學模型的基礎(chǔ)上的，但是各個領(lǐng)域?qū)ψ詣涌刂葡到y(tǒng)控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)、定性與自適應(yīng)能力的要求越來越高，被控對象或過程的非線性、時變性、多參數(shù)點的強烈耦合、較大的隨機擾動、各種不確定性以及現(xiàn)場測試手段不完善等，使難以按數(shù)學方法建立被控對象的精確模型；其次，為了提高控制的性能，整個控制系統(tǒng)變得極其復雜，增加了設(shè)備的投資，降低了系統(tǒng)的可靠性。人工智能的出現(xiàn)和發(fā)展，促進了自動控制向更高的層次，即智能控制發(fā)展。基于單片機的智能控制系統(tǒng)，使得舵機等伺服系統(tǒng)的模塊化和數(shù)字化更容易實現(xiàn)，極大的促進了控制精度、響應(yīng)速度等控制要求的提高。舵機作為一種伺服電機屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，和一般的直流電機、交流電機相比具有較高的控制精度，步進電機雖然也具有一定的控制精度但仍然屬于開環(huán)結(jié)構(gòu)。于是舵機在機器人關(guān)節(jié)控制和航模轉(zhuǎn)舵控制等需要精確控制而又沒有很高載荷的系統(tǒng)中就顯得十分經(jīng)濟實用，在航空航天儀器、雷達、導彈、智能自適應(yīng)儀器、各種武器電子和抗惡劣環(huán)境電子等系統(tǒng)中也得到廣泛應(yīng)用。1 舵機控制系統(tǒng)概述舵機，又名伺服電機，主要是由外殼馬達、減速齒輪和電位器構(gòu)成。舵機主要適用于那些角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)，比如人形機器人的手臂和腿，車模和航模的方向控制。舵機工作原理：舵機本質(zhì)上是可定位的馬達，它的內(nèi)部包括了一個小型直流馬達、一組變速齒輪組、一個反饋可調(diào)電位器和一塊電子控制板。它是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)[1]，減速齒輪組由馬達驅(qū)動，其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生調(diào)整脈沖，并驅(qū)動馬達正向或反向地轉(zhuǎn)動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令調(diào)整脈沖趨于為0，從而達到使舵機精確定位的目的。簡單的說就是發(fā)一個控制信號給舵機，經(jīng)過電路板判斷轉(zhuǎn)動方向，再驅(qū)動馬達開始轉(zhuǎn)動，透過減速齒輪將動力傳至擺臂，同時由電位器檢測送回信號，判斷是否已經(jīng)達到指定位置。數(shù)字舵機(Digital Servo)和模擬舵機(Analog Servo)在基本的機械結(jié)構(gòu)方面是完全一樣的，主要由馬達、減速齒輪、控制電路等組成，而數(shù)字舵機和模擬舵機的最大區(qū)別則體現(xiàn)在控制電路上，數(shù)字舵機的控制電路比模擬舵機的多了微處理器和晶振。相對于模擬舵機，數(shù)字舵機有如下優(yōu)點：首先，驅(qū)動馬達的動力，可以由微處理器的程序調(diào)整，以應(yīng)用于不同的應(yīng)用場合，并優(yōu)化舵機性能。其次，舵機馬達能以更高的頻率響應(yīng)控制信號，而且“死區(qū)”（無響應(yīng)區(qū)）變?。环磻?yīng)變得更快；加速和減速時也更迅速、更柔和；運轉(zhuǎn)精度以及舵機鎖位能力也更強。本設(shè)計就是利用模擬舵機的機械部分，運用單片機和電位器的閉環(huán)系統(tǒng)進行角度控制，主要用到PD控制，采用電位器進行角度檢測，由單片機對其進行處理，輸出PWM脈沖信號控制舵機轉(zhuǎn)動到所設(shè)定的角度。即將模擬舵機改裝成數(shù)字舵機，實現(xiàn)了舵機的數(shù)字化控制。 PID控制算法 PID控制系統(tǒng)的原理和特點在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。比例控制器是在誤差一旦產(chǎn)生就立即有控制作用，使得被控量向減小誤差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數(shù)的。比例控制的缺點是對于具有自平衡的性的被控對象存在靜差。加大可以減小系統(tǒng)靜差，但過大的時候，會使系統(tǒng)的動態(tài)性能變壞，甚至會使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。 PID控制系統(tǒng)原理圖 (11) (12)積分控制能對誤差進行記憶并積分，有利于消除靜差。但它的不足之處在于積分作用具有滯后特性，存在積分飽和現(xiàn)象，如果積分控制作用太強會使控制的動態(tài)性能變差，以至于使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。比例控制器是在誤差一旦產(chǎn)生就立即有控制作用，使得被控量向減小誤差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數(shù)的。比例控制的缺點是對于具有自平衡的性的被控對象存在靜差。加大可以減小系統(tǒng)靜差，但過大的時候，會使系統(tǒng)的動態(tài)性能變壞，甚至會使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分控制能對誤差進行記憶并積分，有利于消除靜差。但它的不足之處在于積分作用具有滯后特性，存在積分飽和現(xiàn)象，如果積分控制作用太強會使控制的動態(tài)性能變差，以至于使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。微分控制能對誤差進行微分，得出誤差的變化趨勢，增大微分作用可加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減少，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，缺點是對于干擾同樣的敏感，使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。 增量式PID算法 數(shù)字PID是在模擬PID算法的基礎(chǔ)上，用差分方程式代替連續(xù)方程，所以模擬PID算法中許多行之有效的方法都可以用在數(shù)字PID運算中。數(shù)字PID兩種最基本的算法為：位置型PID和增量型PID。本設(shè)計采用增量型PID。增量式PID算法的輸出量為： （13）式中，en、enen2分別為第n次、n1次和n2次的偏差值，Kp、Ti、Td分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，T為采樣周期 PID控制器參數(shù)的工程整定方法主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：⑴ 首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作。⑵ 僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期。⑶ 在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。2 AVR單片機概述自1983年Intel公司推出8051單片機系列至今已有20年，Atmel公司把8051內(nèi)核與其擅長的Flash制造技術(shù)相結(jié)合，推出了片內(nèi)集成可重復擦寫1000次以上Flash程序存儲器、低功耗、8051內(nèi)核的AT89系列單片機。改系列的典型產(chǎn)品有AT89C5AT89C5AT89C1051和AT89C2051，在我國的單片機市場上占有相當大的份額，得到了廣泛的使用。由于8051本身結(jié)構(gòu)的先天性不足及近年來各種采用新型結(jié)構(gòu)和新技術(shù)的單片機的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)在的單片機市場百花齊放。Atmel在這種強大的市場壓力下，發(fā)揮Flash存儲器的技術(shù)特長，于1997年研發(fā)并推出增強型內(nèi)置Flash程序存儲器的精簡指令集RISC的新型高速8位單片機，簡稱AVR單片機，可以廣泛應(yīng)用于計算機外部設(shè)備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通信設(shè)備、家用電器等各個領(lǐng)域。 AVR單片機的優(yōu)勢特征　　單片機已廣泛地應(yīng)用于軍事、工業(yè)、家用電器、智能玩具、便攜式智能儀表和機器人制作等領(lǐng)域，使產(chǎn)品功能、精度和質(zhì)量大幅度提升，且電路簡單，故障率低，可靠性高，成本低廉。單片機種類很多，在簡易機器人制作和創(chuàng)新中，為什么選用AVR單片機呢？ 　　⑴ 簡便易學，費用低廉 　　首先，對于非專業(yè)人員來說，選擇AVR單片機的最主要原因，是進入AVR單片機開發(fā)的門檻非常低，只要會操作電腦就可以學習AVR單片機的開發(fā)。單片機初學者只需一條ISP下載線，把編輯、調(diào)試通過的軟件程序直接在線寫入AVR單片機，即可以開發(fā)AVR單片機系列中的各種封裝的器件。AVR單片機因此在業(yè)界號稱“一線打天下”。 　　其次，AVR單片機便于升級。AVR程序?qū)懭胧侵苯釉陔娐钒迳线M行程序修改、燒錄等操作，這樣便于產(chǎn)品升級。 　　再次，AVR單片機費用低廉。學習AVR單片機可使用ISP在線下載編程方式(即把PC機上編譯好的程序?qū)懙絾纹瑱C的程序存儲器中)，不需購買仿真器、編程器、擦抹器和芯片適配器等，即可進行所有AVR單片機的開發(fā)應(yīng)用，這可節(jié)省很多開發(fā)費用。程序存儲器擦寫可達10000次以上，不會產(chǎn)生報廢品。 　?、?高速、低耗、保密 　　首先，AVR單片機是高速嵌入式單片機： 　?、?AVR單片機具有預(yù)取指令功能，即在執(zhí)行一條指令時，預(yù)先把下一條指令取進來，使得指令可以在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行。 　?、?多累加器型，數(shù)據(jù)處理速度快。AVR單片機具有32個通用工作寄存器，相當于有32條立交橋，可以快速通行。 　?、?中斷響應(yīng)速度快。AVR單片機有多個固定中斷向量入口地址，可快速響應(yīng)中斷。 　　其次，AVR單片機耗能低。對于典型功耗情況，WDT關(guān)閉時為100nA，更適用于電池供電的應(yīng)用設(shè)備。 V即可工作。 　　再次，AVR單片機保密性能好。它具有不可破解的位加密鎖Lock Bit技術(shù)，保密位單元深藏于芯片內(nèi)部，無法用電子顯微鏡看到。 　 ⑶ I/O口功能強,具有A/D轉(zhuǎn)換等電路 　?、?AVR單片機的I/O口是真正的I/O口，能正確反映I/O口輸入/輸出的真實情況。工業(yè)級產(chǎn)品，具有大電流(灌電流)10～40 mA,可直接驅(qū)動可控硅SCR或繼電器，節(jié)省了外圍驅(qū)動器件。 　?、?AVR單片機內(nèi)帶模擬比較器，I/O口可用作A/D轉(zhuǎn)換，可組成廉價的A/D轉(zhuǎn)換器。ATmega48/8/16等器件具有8路10位A/D。 　　③ 部分AVR單片機可組成零外設(shè)元件單片機系統(tǒng)，使該類單片機無外加元器件即可工作，簡單方便，成本又低。 　?、?AVR單片機可重設(shè)啟動復位,以提高單片機工作的可靠性。有看門狗定時器實行安全保護,可防止程序走亂(飛),提高了產(chǎn)品的抗干擾能力。 　 ⑷ 有功能強大的定時器/計數(shù)器及通訊接口 　　定時/計數(shù)器T/C有8位和16位,可用作比較器。計數(shù)器外部中斷和PWM(也可用作D/A)用于控制輸出，某些型號的AVR單片機有3～4個PWM，是作電機無級調(diào)速的理想器件。 　　AVR單片機有串行異步通訊UART接口,不占用定時器和SPI同步傳輸功能,因其具有高速特性，故可以工作在一般標準整數(shù)頻率下,而波特率可達576K。 ATmega8L單片機的特點ATmega8L是AVR高檔單片機中內(nèi)部接口豐富、功能齊全、性能價格比最好的品種。其主要特點如下：⑴ 高性能、低功耗的 8 位 AVR174。 微處理器。① 先進的RISC結(jié)構(gòu)。② 130 條指令，大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期。③ 32 個8 位通用工作寄存器。④ 全靜態(tài)工作。⑤ 工作于16 MHz 時性能高達16 MIPS。⑥ 只需兩個時鐘周期的硬件乘法器。⑵ 非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器。① 8K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash 。② 擦寫壽命: 10,000 次。③ 具有獨立鎖定位的可選Boot 代碼區(qū)。④ 通過片上Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程。⑤ 真正的同時讀寫操作。⑥ 512 字節(jié)的EEPROM。⑦ 擦寫壽命: 100,000 次。⑧ 1K 字節(jié)的片內(nèi)SRAM。⑨ 可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密。⑶ 外設(shè)特點。① 兩個具有獨立預(yù)分頻器8 位定時器/ 計數(shù)器,其中之一有比較功能。② 一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器 /計數(shù)器。③ 具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC。④ 三通道PWM；8路 10 位ADC。⑤ 兩個可編程的串行USART。⑥ TQFP 與MLF封裝的 8 路ADC。⑦ 可工作于主機/從機模式的 SPI串行接口。⑧ PDIP 封裝的6 路 ADC。⑨ 具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器。⑩ 面向字節(jié)的兩線接口；片內(nèi)模擬比較器 。⑷ 特殊的處理器特點。① 上電復位以及可編程的掉電檢測。② 片內(nèi)經(jīng)過標定的RC 振蕩器。 ③ 片內(nèi)/片外中斷源。④ 5種睡眠模式 : 空閑