【正文】 目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋 信號(hào)與系統(tǒng) 給定值信號(hào)相反，則稱為負(fù)反饋（ Negative Feedback），若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性（ stability），一個(gè)系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的；準(zhǔn)是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)（ Steadystate error）描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差；快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，通常用 上升時(shí)間 來(lái)定量描述。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算 整定法。 利用該方法進(jìn)行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下： （ 1）首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； （ 2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； （ 3）在一定的 控制度 下通過(guò)公式計(jì)算得到 PID 控制器的參數(shù)。但 積分時(shí)間 I 太長(zhǎng)，又會(huì)當(dāng)反饋信號(hào)急劇變化時(shí)，被控物理量難以迅速恢復(fù)。比 例增益 P 就是用來(lái)設(shè)置差值信號(hào)的放大系數(shù)的。 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。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入 “比例 ”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是 “微分項(xiàng) ”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提 前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “積分項(xiàng) ”。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得 系統(tǒng)參數(shù) 時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。另例，當(dāng)一臺(tái)真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動(dòng)切斷電源，它就是一個(gè)閉環(huán)控制 系統(tǒng)。還有可以實(shí)現(xiàn) PID 控制功能的控制器，如 Rockwell 的 Logix 產(chǎn)品系列，它可以直接與 ControlNet 相連，利用網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)其 遠(yuǎn)程控制 功能。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 、輸入輸出接口。 PID（比例 積分 微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有 70多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器?？紤]按鍵比較少，所以設(shè)計(jì)使用獨(dú)立式鍵盤(pán)接法，三個(gè)按鍵分別接與單片機(jī)的 ,。 中值 濾波 是基于排序統(tǒng)計(jì)理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號(hào)處理技術(shù)，中值濾波的基本原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值的中值代替，讓周圍的 像素 值接近的真實(shí)值，從而消除孤立的噪聲點(diǎn)。ADRJ=1， 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的高 2 位存放在 ADC_RES 中低 2 位中 ， 低 8 位存放在 ADC_RESL中 。 SPEED1 SPEED0 A/D轉(zhuǎn)換所需時(shí)間 1 1 90個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換一 次 ， CPU工作頻率 21MHz時(shí)， A/D轉(zhuǎn)換速度約 250KHz 1 0 180個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換一次 0 1 360個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換一次 0 0 540個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換一次 表 AD轉(zhuǎn)換速度 （ 3） 對(duì) IE 的設(shè)置 ： 如果允許 A/D 轉(zhuǎn)換中斷 ， 將 EA=1 打開(kāi)單片機(jī)中斷允許總控制位 ； 將 EADC=1， 這時(shí) ADC 中斷的允許中斷控制位 。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 SFR name Address bit B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 P1ASF 9DH name P17ASF P16ASF P15ASF P14ASF P13ASF P12ASF P11ASF P10ASF 表 PLASF寄存器 （ 2） 對(duì) ADCCONTR 特殊功能寄存器設(shè)置 ： 建議直接用 MOV 賦值語(yǔ)句 。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 系統(tǒng)流程圖 參 數(shù) 加 載 2 次數(shù) 字 濾 波按 鍵 子 程 序參 數(shù) 存 儲(chǔ)系 統(tǒng) 初 始 化啟 動(dòng) A D清 采 樣 周 期 標(biāo) 志 位清 數(shù) 據(jù) 更 新 標(biāo) 志 位有 鍵 操 作 ？是 否 平 衡 ？方 式 0 ？參 數(shù) 加 載 相 同 ？是 否 到 采 樣 周 期 ？A D 啟 動(dòng) ？方 式 1 ？數(shù) 據(jù) 更 新 ？開(kāi) 始橫 向 P I D 控 制橫 向 驅(qū) 動(dòng) 輸 出縱 向 驅(qū) 動(dòng) 輸 出橫 向 驅(qū) 動(dòng) 輸 出橫 向 P I D 控 制縱 向 P I D 控 制NYYNYNNYYNNYYNNY 圖 系統(tǒng)流程圖 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 系統(tǒng)初始化 初始化程序包括輸入輸出端口初始化， A/D 轉(zhuǎn)化器初始化，定時(shí)器中斷初始化，電源初始化等。并引入了指針概念，使程序效率更高。程序員應(yīng)當(dāng)仔細(xì)檢查程序，保證其正確，而不要過(guò)分依賴 C 編譯程序去查錯(cuò)。 圖 LED硬件電路 3 車輛自平衡座椅電動(dòng)控制系統(tǒng)硬件原理 16 3 車輛自平衡座椅電動(dòng)控制系統(tǒng)軟件 主程序設(shè)計(jì) 車輛座椅自平衡軟件部分主要由加速傳感器數(shù)據(jù)采集處理程序、電機(jī)控制程序程序、鍵盤(pán)子 程序、判斷采樣周期的中斷子程序組成。 ，工作時(shí)電流為 500181。 5%, 單片機(jī)為 ，誤差為 177。 :不定 表 PMM8713的功能表 由于我們采用四相步進(jìn)電機(jī)，并且采用四相八拍工作方式，其 各相通電順序西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 為 A→ AB→ B→ BC→ C→ CD→ D→ DA→ A。 PMM8713 在控制二相或四相步進(jìn)電機(jī)時(shí)都可選擇三種勵(lì)磁方式（ 1 相勵(lì)磁， 2 相勵(lì)磁 ， 12 相勵(lì)磁三種勵(lì)磁方式之一），每相最小的拉電流和灌電流為 20ｍＡ， 這種電路的優(yōu)越性是 它不但可滿足后級(jí) 功率放大器的要求，而且在所有輸入端上均內(nèi)嵌有施密特觸發(fā)電路，抗干擾能力很強(qiáng)，其原理框圖如圖 所示。由此可以方便地對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。 。 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)相數(shù)：產(chǎn)生不同隊(duì) N、 S 磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)，常用 m表示。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是由電脈沖信號(hào)控制的，其角位移量或線位移量與脈沖數(shù)成正比，每個(gè)一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度（不距角）或前進(jìn)、倒退一步。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場(chǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。 步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)述 步進(jìn) 電機(jī) 是將電 脈沖 信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏?移或線位移的開(kāi)環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。通過(guò) MMA7260QT 型三軸加速傳感器，檢測(cè)到的座椅運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以模擬量電壓的方式傳送給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)讀入的座椅平衡狀態(tài)數(shù)據(jù)作為執(zhí)行控制算法的輸入，經(jīng)過(guò)計(jì)算后，將控制信號(hào)傳送給電機(jī)，控制電機(jī)使座椅回歸平衡。該系統(tǒng)主要包括 對(duì)加速傳感器的信號(hào)采集和處理， 鍵盤(pán)操作，PID 算法模塊以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊。由鉛蓄電池提供車體動(dòng)力 。該車通過(guò)使用精密的陀螺儀傳感器來(lái)代替人類的前庭和耳蝸等人類平衡器官 ,以電動(dòng)機(jī)和車輪代替人類的雙腳 ,以主控制器來(lái)代替人類的大腦進(jìn)行判斷 ,發(fā)展所謂的 動(dòng)態(tài)平衡 來(lái)實(shí)現(xiàn)。同年 ,丹麥樂(lè)高公司的 Steve Hassenplug設(shè)計(jì)了一種取名為 LEWAY 的自平衡玩具 ,該樣機(jī)只有手掌大小。由于當(dāng)時(shí)的芯片計(jì)算能力比較低 ,傳感器的采樣精度和采樣速率都比較低 ,這個(gè)機(jī)器只能沿著預(yù)先設(shè)定好的軌跡行駛。自平衡座椅可以彌補(bǔ)普通車輛座椅的不足，在汽車行駛過(guò)程中，通過(guò)系統(tǒng)電動(dòng)控制，使座椅自動(dòng)調(diào)整，確保駕駛員在任何時(shí)候都能與地面保持一個(gè)相對(duì)平衡的姿態(tài)。 V. 系統(tǒng)軟件通過(guò)計(jì)算機(jī)編輯、編譯。 II. 車輛座椅三自由度運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 檢測(cè)及轉(zhuǎn)換（推薦采用 MMA7260QT 三軸加速度傳感器 ）。 III. 2路座椅自平衡調(diào)節(jié) 電機(jī) 控制算法。（ 月下旬前） VI. 在通過(guò)仿真軟調(diào)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試。 用單片機(jī)、加速傳感器、模擬數(shù)字電子技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)彎行駛或者在顛簸的路上行駛時(shí)所產(chǎn)生的傾斜通過(guò)加速傳感器傳遞給單片機(jī)，由單片機(jī)控制電機(jī)并驅(qū)使座椅與地面保持在一個(gè)相對(duì)平衡的位置，同時(shí)可有 36 的坐姿按鍵來(lái)控制座椅橫向、縱向的四種角度調(diào)節(jié)，從而確保駕駛員的書(shū)舒適性和安全性。國(guó)內(nèi)對(duì)自平衡控制技術(shù)的研究幵始于上世紀(jì)九十年代 ,并且在本世紀(jì)初也取得了一些成績(jī)。它采用了當(dāng)時(shí)流行的紅外測(cè)距儀來(lái)反饋機(jī)器人的姿態(tài)信號(hào) ,通過(guò)差動(dòng)傳動(dòng)方式 來(lái)實(shí)現(xiàn)控制 ,并且設(shè)置了無(wú)線接口 。 Segway 于 2020 年 10 月發(fā)布了自己的又一新作 :一輛四輪電動(dòng)概念車 半人馬號(hào) 。用永磁直流電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)左右兩輪。 自主設(shè)計(jì)車輛自平衡座椅，含以下部分： ● 典型 51 內(nèi)核的單片機(jī)系統(tǒng)軟件（推薦采用 STC 系列 8051）。 單片機(jī)使用 STC12C5A60S2 單片機(jī)，其兼容 8051 內(nèi)核單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)干擾的新一代 8051 單片機(jī)。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的 頻率 和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為 “步距角 ”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。每輸入一個(gè)電 脈沖 ，電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度由輸入的電脈沖數(shù)確定，所以，也有人稱步進(jìn)電機(jī)為數(shù)字 /角度轉(zhuǎn)換器。拍數(shù)：完成一 個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖用 n 表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，四相電機(jī)有四相四拍運(yùn)行方式即AB→BC→CD→DA→AB, 四相八拍運(yùn)行方A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A 。 圖 是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖 、 b、 c 所示： 圖 波形 串并行控制 采用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，有串行控制和并行控制兩種方法。 控制線可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)方向的控制，如為低電平： “ 0” 時(shí)，環(huán)形分配器按正方向進(jìn)行脈沖分配，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)；而為高電平 “ 1” 時(shí)，環(huán)形分配器按反方向 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 進(jìn)行脈沖分配，電動(dòng)機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。 在ＰＭＭ８７１３的內(nèi)部電路中，時(shí)鐘選通部分用于設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)脈沖輸入法。所以脈沖分配芯片 PMM8713 的 EA、EB 管腳接高電平， BA、 D 管腳接低電平， R 管腳是復(fù)位端， VCC、 GND 分別接電源和地，由于我們采用單片機(jī)輸出脈沖控制步進(jìn)電機(jī)，并不需要脈沖發(fā)生器，所以 CU（ UP 計(jì)時(shí)脈沖 ）、 CD（ DOWN 計(jì)時(shí)脈沖 ）都接地。 3% 12. 時(shí)鐘源：外部高精度晶體 /時(shí)鐘，內(nèi)部 R/C振蕩器 (溫漂為 177。A，休眠模式下為 3181。數(shù)據(jù)采集處理程序，主要解決 MMA7260 傳送的加速度模擬信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)以及數(shù)據(jù)的解算。 C 語(yǔ)言一共只有 32 個(gè)關(guān)鍵字， 9 種控制語(yǔ)句，程序書(shū)寫(xiě)形式自由，區(qū)分大小寫(xiě)。另外C 語(yǔ)言具有強(qiáng)大的圖形功能，支持多種顯示器和驅(qū)動(dòng)器。 （ 1） I/O 端口初始 化： 對(duì)部分端口進(jìn)行引腳配置，設(shè)置 ， ,P1,2 為模擬輸入通道， , 為鍵盤(pán)端口， ， 為單片機(jī)脈沖輸出， ， 外接三個(gè) LED 燈， ， 為脈沖方向控制輸出， 為復(fù)位。 選擇模擬輸入通道 CHS2/CHS1/CHS0： 如 CHS2/ CHS1/CHS0 =111 ~ 000 可分別選擇 ~ 作為 ADC 的 A/D 轉(zhuǎn)換輸入位 。 STC12C5A60S2 系列單片機(jī)的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊使用的時(shí)鐘是外部晶體時(shí)鐘或內(nèi)部 R/C 振蕩器所產(chǎn)生的時(shí)鐘 ， 不使用時(shí)鐘分頻寄存器 CLK_DIV。 ADRJ=0， 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果 ： 取 8 位 （ ADC_RES[7:0]） =256 Vin / Vcc； ADRJ=0， 模 /數(shù) 轉(zhuǎn)換結(jié)果 ： 取 10 位ADC_RES[7:0],ADC_RESL[1:0]） =1024 Vin / Vcc； ADRJ=1， 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果 ：取 10 位 （ ADC_RES[1:0],ADC_RESL[7:0]） =1024 Vin / Vcc； Vin 為模擬輸入電壓 ， Vcc 為單片機(jī)實(shí)際工作電壓 ， 并作為模擬參考電壓 。 對(duì)傳感器每個(gè)方 向上的數(shù)據(jù)采集 5 次，進(jìn)行排序，然后去掉最大和最小的數(shù)值，中間三個(gè)數(shù)值取平均值。流程圖如下。 PID 控制器 簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的 系統(tǒng)模型 等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器