ch03定时器和中断系统-机器人速度测量与控制

定时器和中断系统——机器人速度测量与控制新工科建设之路·机器人技术与应用系列应用型人才创新能力培养机器人制作与开发(单片机技术及应用)(第2版)第三章01简易数字编码器的安装和电机转速的测量数字编码器用于测量机器人轮子的转速。通过数字编码器可以改善机器人的运动性能，如改善走迷宫或按照地图路径行走的机器人的运动性能。数字编码器套件安装在轮子的旁边，可利用轮子上的小孔做周期性计数来测量轮子的转速。简易数字编码器的安装和电机转速的测量简易数字编码器介绍简易数字编码器的安装和电机转速的测量简易数字编码器套件如图3.1所示。简易数字编码器的安装和电机转速的测量VDD端在上引脚，其引脚说明如图3.2所示。简易数字编码器的测速原理数字编码器由一个红外发射器和一个红外接收器组成，红外发射器以7.8kHz的频率发射红外光。当红外光照射到前方遮挡物时将反射回来，通过红外接收器检测是否有红外光反射回来，若有，则信号线引脚为低电平，若没有，则信号线引脚为高电平。可通过计数器统计传回信号的下降沿个数，若有n个下降沿，则说明轮子转过了n个小孔。小车的轮子上有12个小孔，所以接收到12个下降沿表明轮子转一圈。简易数字编码器的安装和电机转速的测量简易数字编码器的安装和电机转速的测量数字编码器测速原理图如图3.3所示。简易数字编码器的安装和电机转速的测量简易数字编码器在机器人小车上的安装方式与左、右数字编码器安装效果如图3.4~图3.6所示。简易数字编码器的安装和电机转速的测量简易数字编码器的安装和电机转速的测量简易数字编码器的安装和电机转速的测量简易数字编码器、教学机器人电机信号引脚与C语言教学板引脚的连接说明如表3.1所示。简易数字编码器的安装和电机转速的测量左、右数字编码器与C语言教学板的电路连接如图3.7所示。用简易数字编码器进行电机转速的测量（1）定时/计数器的设置和中断说明（2）简易数字编码器测量左、右电机转速的程序简易数字编码器的安装和电机转速的测量简易数字编码器的安装和电机转速的测量图3.8所示为用简易数字编码器测量机器人小车左、右电机转速的示意图。02用PID控制算法控制小车速度在当今大量应用的工业控制器中，有半数以上采用PID或变形的PID控制算法。实践证明，PID控制算法对于大多数控制系统具有广泛适用性。用PID控制算法控制小车速度PID控制算法简介用PID控制算法控制小车速度图3.9所示为模拟PID控制系统原理框图。比例系数反映系统的基本偏差e（t）对系统性能的影响。比例系数大，可加快调节速度，减小偏差，但比例系数过大会使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定。积分系数反映系统的累计偏差对系统性能的影响。积分系数用于消除系统的稳定偏差，提高系统无差度。控制8个LED闪烁微分系数反映系统偏差信号的变化率e（t）-e（t-1）对系统性能的影响。微分调节具有预见性，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，在偏差还没有形成前，已被微分调节作用消除。因此，可利用微分调节改善系统的动态性能。但是微分系数对噪声干扰有放大作用，微分系数越大，对系统抗干扰越不利。用PID控制算法控制小车速度比例控制规律采用比例控制规律能较快地克服扰动的影响，它的优点在于输出较快，缺点是不能很好地稳定在一个理想的数值上，即不能消除余差。比例积分（PI）控制规律在工程系统中，比例积分控制规律是应用最为广泛的。积分控制能在比例控制的基础上消除余差。用PID控制算法控制小车速度比例微分（PD）控制规律微分控制具有超前作用，在具有容量滞后的控制通道中引入微分控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标有着显著的效果。比例积分微分（PID）控制规律PID控制规律是一种较为理想的控制规律，它在比例控制的基础上引入积分控制，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。用PID控制算法控制小车速度要编程实现PID控制，必须先将算法离散化。离散化的过程其实很简单，只需要记住以下几条即可。①用离散的时刻n代替连续时间t。②用0到n的求和代替t到t的积分。③用前向差分代替微分。用PID控制算法控制小车速度PID控制算法的编程实现PID控制算法的编程实现非常简单，只需要将离散PID控制算法的表达式写到软件里面就可以。但是要将这个算法写成实际的控制软件，需要花费一些时间和精力。用单片机实现数字闭环控制器的一个最为重要的概念是闭环控制周期，也就是离散PID控制算法中两个相邻时刻之间的时间。在这个闭环控制周期里，控制器必须完成以下操作和计算。用PID控制算法控制小车速度①通过传感器读取一次需要控制的变量的当前值。②将获得的被控变量的当前值与期望的控制值进行比较，获得当前的控制偏差。③按照离散控制算法，根据偏差计算当前的控制作用量的大小。④将控制作用输出到执行装置中。⑤不断重复上述过程。用PID控制算法控制小车速度若完成以上操作和计算的时间超过了所要求的闭环控制周期，则这个数字控制器可能无法满足控制要求。反之，就可以满足要求。在闭环控制周期中，多余的时间可以用来完成其他操作或者进行简单的暂停等待。在这个控制周期内，可能还要处理一些人机交互的操作，如读取被控变量的期望控制值，以及给PID控制器的3个控制系数赋不同的值，以获得不同的控制效果等。用PID控制算法控制小车速度基于PID控制算法的速度控制将数字编码器测得的左轮当前转速记为EcodeCounterLeftnow，右轮当前转速记为Ecode_CounterRightnow。变量Ecode_Counter_Right_before、Ecode_Counter_Left_before、Ecode_Counter_Right_before1、Ecode_CounterLeftbefore1、EcodeCounterRight_before2、EcodeCounterLeftbefore2、Ecode_CounterRightbefore3、Ecode_CounterLeftbefore3用于保存左、右轮前4次测得的转速。用PID控制算法控制小车速度用PID控制算法控制小车速度图3.10和图3.11是两个运行时刻的电机转速控制程序运行效果。任务中设定的机器人速度期望值是12cm/s，在程序实际运行过程中，两个轮子的线速度基本上都在11~13.8cm/s之间变化，能不能让轮子的线速度更加准确呢？答案是否定的。因为影响控制器控制精度的因素有很多，其中一个关键因素是反馈的精度，也就是传感器的检测精度。用PID控制算法控制小车速度这里使用的简易数字编码器的最高速度检测精度是多少呢？它由电机的最高转速和数字编码器每转能够输出的脉冲个数决定。伺服电机的最高转速约为60r/min，也就是1r/s，lr（转）是6.28rad，同时数字编码器能够输出8个脉冲，也就是说，每个脉冲对应的弧度为6.28/8rad，即0.785rad，这个弧度对应轮子转过弧长为0.785×3.5cm，约为2.74cm，因为轮子的半径为3.5cm，所以2.74cm/s就是数字编码器的最高速度检测精度。如果想要提高检测精度，必须提高数字编码器的分辨率，也就是每转可以输出的脉冲数。用PID控制算法控制小车速度另外，程序对PID控制器的积分部分进行了简化处理。按照原始的PID控制器，必须对所有检测到的电机转速进行累加积分，而这里只取了前4次进行累加。其实，在速度控制闭环中，积分环节对控制精度的影响较小，这从设定的K参数就可以看出来。任务中的PID控制器的系数是从哪里得来的呢？这里的数值是开发工程师通过多次实验获得的，因为在没有模型的控制系统中，只能按照调整PID控制器系数的方法，通过不断地实验得到最佳的数值。这方面的内容和技能是后续自动控制原理和现代控制工程课程的核心内容。用PID控制算法控制小车速度03简易里程计的设计利用数字编码器测量轮子的运动距离很简单，在任务3.1中已有详细的说明。利用计数器统计数字编码器信号线传回的信号中有几个下降沿，即可得出轮子转过的角度。机器人小车使用的轮子有8个小孔，所以当单片机接收到8个下降沿时，表明轮子旋转一圈。简易里程计的设计简易里程计设计原理简易里程计的程序设计定时/计数器的设置和中断说明与前面两个任务相同，这里不再赘述。（1）简易里程计程序实现说明；（2）简易里程计程序。简易里程计的设计简易里程计的设计图3.12和图3.13是两次运行简易里程计程序的运行效果。04扩展阅读扩展阅读该寄存器各位的定义如表3.2所示。①GATE——门控制位。当GATE=0时，定时/计数器启动和停止只受控制寄存器TCON中的TRX（X=0，1；表示定时/计数器0，定时/计数器1）控制；当GATE=1时，定时/计数器启动和停止由控制寄存器TCON中的TRX和外部中断引脚（INT0或INT1）上的电平状态来共同控制。②C/T——定时器模式与计数器模式选择位。当C/T=1时，为计数器模式；当C/T=0时，为定时器模式。扩展阅读扩展阅读③M1、M0——工作方式选择位。T0和T1都有4种工作方式，它们都由M1、M0设定。MI、M0各值对应的4种工作方式如表3.3所示。扩展阅读T0和T1的控制寄存器TCON各位的定义如表3.4所示。①TF1——T1溢出标志。当T1计满溢出时，硬件自动置TFl为1，并申请中断。进入中断后，由硬件自动对TF1清零。②TR1——T1运行控制位。该控制位由软件清零关闭T1。当GATE=1，且INT1为高电平时，TR1置1表示启动T1；当GATE=0时，TR1置1表示启动T1。③TF0——T0溢出标志。当T0计满溢出时，硬件自动置TF0为1，并申请中断。进入中断后，由硬件自动对TF0清零。扩展阅读④TR0——T0运行控制位。该控制位由软件清零关闭T0。当GATE=1，且INT0为高电平时，TR0置1表示启动T0；当GATE=0时，TR0置1表示启动T0。⑤IE1——外部中断1请求标志。控制外部中断，与定时/计数器无关。对于初学者来说，不需要操作外部中断，所以此处不详细介绍该寄存器位。⑥IT1——外部中断1触发方式选择位。控制外部中断，与定时/计数器无关。对于初学者来说，不需要操作外部中断，所以此处不详细介绍该寄存器位。扩展阅读⑦IE0——外部中断0请求标志。控制外部中断，与定时/计数器无关。对于初学者来说，不需要操作外部中断，所以此处不详细介绍该寄存器位。⑧IT0——外部中断0触发方式选择位。控制外部中断，与定时/计数器无关。对于初学者来说，不需要操作外部中断，所以此处不详细介绍该寄存器位。扩展阅读T0和T1的计数寄存器TH0、TL0、TH1、TL1TH0、TL0（TH1、TL1）是T0（T1）的高8位和低8位计数器，TH0、TL0（TH1、TL1）是连在一起的计数器。当低8位TL0（TL1）计数器计满溢出时，向高8位TH0（TH1）计数器进1；当高8位和低8位计数器都计满溢出时，将TF0（TF1）置1并申请中断，进入中断程序，再将TF0（TF1）置0。扩展阅读T2的T2CON寄存器和T2MOD寄存器T2作为AT89S52芯片新增的一类定时器，只有52系列单片机才具有。T2是16位定时/计数器，可通过设置特殊功能寄存器T2CON中的C/T2来设置T2是作为定时器还是计数器使用。特殊功能寄存器T2CON还可以设置T2的工作方式，其工作方式有3种：捕获方式、自动重装方式（递增或递减计数）和波特率发生器。T2的T2MOD寄存器用于设定定时/计数器在自动重装方式下是递增计数还是递减计数。扩展阅读扩展阅读当单片机复位时，T2CON寄存器全部被清零，该寄存器各位的定义如表3.5所示。在将T2设置为捕获工作方式后，还需要设定EXEN2的值，这样捕获功能才能正常实现。当EXEN2=1时，捕获功能被激活，允许捕获T2EX引脚的下降沿触发信号；当EXEN2=0时，捕获功能被禁止，T2EX引脚的下降沿触发信号对T2无效。扩展阅读捕获方式中断的目的是提高单片机处理外部或内部事件的能力。由于事件有一般事件和紧急事件之分，在一般情况下，程序会按照事件的先后顺序执行，但在发生一件紧急事件需要紧急处理时，就需要中断当前的一般事件，优先去做紧急事件，在处理完紧急事件后再回来做被中断的一般事件，这就是中断的作用。在日常生活中，中断事件经常发生。扩展阅读中断相关知识及中断寄存器介绍对于单片机来说，中断就是CPU在处理事件A时发生了事件B，但CPU只能处理一件事，当前事件B更为紧急，必须马上处理，于是，CPU暂停处理事件A（做出中断响应），转去处理事件B（执行中断程序）。等处理完事件B后，CPU再回来处理未做完的事件A（中断程序执行完毕，返回原先执行的程序。）。扩展阅读中断相关知识介绍我们常把事件B的中断请求称为中断源。在单片机中有6个中断源，每个中断源都有对应的中断条件，6个中断源也有中断优先级之分。当有多个中断同时发生时，单片机会根据中断源的优先级高低，先从优先级高的中断源开始处理，一直执行到优先级最低的中断源，最后再回到原中断