定時器和中斷系統(tǒng)——機器人速度測量與控制新工科建設(shè)之路·機器人技術(shù)與應(yīng)用系列應(yīng)用型人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)機器人制作與開發(fā)(單片機技術(shù)及應(yīng)用)(第2版)第三章01簡易數(shù)字編碼器的安裝和電機轉(zhuǎn)速的測量數(shù)字編碼器用于測量機器人輪子的轉(zhuǎn)速。通過數(shù)字編碼器可以改善機器人的運動性能，如改善走迷宮或按照地圖路徑行走的機器人的運動性能。數(shù)字編碼器套件安裝在輪子的旁邊，可利用輪子上的小孔做周期性計數(shù)來測量輪子的轉(zhuǎn)速。簡易數(shù)字編碼器的安裝和電機轉(zhuǎn)速的測量簡易數(shù)字編碼器介紹簡易數(shù)字編碼器的安裝和電機轉(zhuǎn)速的測量簡易數(shù)字編碼器套件如圖3.1所示。簡易數(shù)字編碼器的安裝和電機轉(zhuǎn)速的測量VDD端在上引腳，其引腳說明如圖3.2所示。簡易數(shù)字編碼器的測速原理數(shù)字編碼器由一個紅外發(fā)射器和一個紅外接收器組成，紅外發(fā)射器以7.8kHz的頻率發(fā)射紅外光。當紅外光照射到前方遮擋物時將反射回來，通過紅外接收器檢測是否有紅外光反射回來，若有，則信號線引腳為低電平，若沒有，則信號線引腳為高電平?？赏ㄟ^計數(shù)器統(tǒng)計傳回信號的下降沿個數(shù)，若有n個下降沿，則說明輪子轉(zhuǎn)過了n個小孔。小車的輪子上有12個小孔，所以接收到12個下降沿表明輪子轉(zhuǎn)一圈。簡易數(shù)字編碼器的安裝和電機轉(zhuǎn)速的測量簡易數(shù)字編碼器的安裝和電機轉(zhuǎn)速的測量數(shù)字編碼器測速原理圖如圖3.3所示。簡易數(shù)字編碼器的安裝和電機轉(zhuǎn)速的測量簡易數(shù)字編碼器在機器人小車上的安裝方式與左、右數(shù)字編碼器安裝效果如圖3.4~圖3.6所示。簡易數(shù)字編碼器的安裝和電機轉(zhuǎn)速的測量簡易數(shù)字編碼器的安裝和電機轉(zhuǎn)速的測量簡易數(shù)字編碼器的安裝和電機轉(zhuǎn)速的測量簡易數(shù)字編碼器、教學(xué)機器人電機信號引腳與C語言教學(xué)板引腳的連接說明如表3.1所示。簡易數(shù)字編碼器的安裝和電機轉(zhuǎn)速的測量左、右數(shù)字編碼器與C語言教學(xué)板的電路連接如圖3.7所示。用簡易數(shù)字編碼器進行電機轉(zhuǎn)速的測量（1）定時/計數(shù)器的設(shè)置和中斷說明（2）簡易數(shù)字編碼器測量左、右電機轉(zhuǎn)速的程序簡易數(shù)字編碼器的安裝和電機轉(zhuǎn)速的測量簡易數(shù)字編碼器的安裝和電機轉(zhuǎn)速的測量圖3.8所示為用簡易數(shù)字編碼器測量機器人小車左、右電機轉(zhuǎn)速的示意圖。02用PID控制算法控制小車速度在當今大量應(yīng)用的工業(yè)控制器中，有半數(shù)以上采用PID或變形的PID控制算法。實踐證明，PID控制算法對于大多數(shù)控制系統(tǒng)具有廣泛適用性。用PID控制算法控制小車速度PID控制算法簡介用PID控制算法控制小車速度圖3.9所示為模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖。比例系數(shù)反映系統(tǒng)的基本偏差e（t）對系統(tǒng)性能的影響。比例系數(shù)大，可加快調(diào)節(jié)速度，減小偏差，但比例系數(shù)過大會使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分系數(shù)反映系統(tǒng)的累計偏差對系統(tǒng)性能的影響。積分系數(shù)用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)定偏差，提高系統(tǒng)無差度?？刂?個LED閃爍微分系數(shù)反映系統(tǒng)偏差信號的變化率e（t）-e（t-1）對系統(tǒng)性能的影響。微分調(diào)節(jié)具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可利用微分調(diào)節(jié)改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。但是微分系數(shù)對噪聲干擾有放大作用，微分系數(shù)越大，對系統(tǒng)抗干擾越不利。用PID控制算法控制小車速度比例控制規(guī)律采用比例控制規(guī)律能較快地克服擾動的影響，它的優(yōu)點在于輸出較快，缺點是不能很好地穩(wěn)定在一個理想的數(shù)值上，即不能消除余差。比例積分（PI）控制規(guī)律在工程系統(tǒng)中，比例積分控制規(guī)律是應(yīng)用最為廣泛的。積分控制能在比例控制的基礎(chǔ)上消除余差。用PID控制算法控制小車速度比例微分（PD）控制規(guī)律微分控制具有超前作用，在具有容量滯后的控制通道中引入微分控制，在微分項設(shè)置得當?shù)那闆r下，對于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能指標有著顯著的效果。比例積分微分（PID）控制規(guī)律PID控制規(guī)律是一種較為理想的控制規(guī)律，它在比例控制的基礎(chǔ)上引入積分控制，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。用PID控制算法控制小車速度要編程實現(xiàn)PID控制，必須先將算法離散化。離散化的過程其實很簡單，只需要記住以下幾條即可。①用離散的時刻n代替連續(xù)時間t。②用0到n的求和代替t到t的積分。③用前向差分代替微分。用PID控制算法控制小車速度PID控制算法的編程實現(xiàn)PID控制算法的編程實現(xiàn)非常簡單，只需要將離散PID控制算法的表達式寫到軟件里面就可以。但是要將這個算法寫成實際的控制軟件，需要花費一些時間和精力。用單片機實現(xiàn)數(shù)字閉環(huán)控制器的一個最為重要的概念是閉環(huán)控制周期，也就是離散PID控制算法中兩個相鄰時刻之間的時間。在這個閉環(huán)控制周期里，控制器必須完成以下操作和計算。用PID控制算法控制小車速度①通過傳感器讀取一次需要控制的變量的當前值。②將獲得的被控變量的當前值與期望的控制值進行比較，獲得當前的控制偏差。③按照離散控制算法，根據(jù)偏差計算當前的控制作用量的大小。④將控制作用輸出到執(zhí)行裝置中。⑤不斷重復(fù)上述過程。用PID控制算法控制小車速度若完成以上操作和計算的時間超過了所要求的閉環(huán)控制周期，則這個數(shù)字控制器可能無法滿足控制要求。反之，就可以滿足要求。在閉環(huán)控制周期中，多余的時間可以用來完成其他操作或者進行簡單的暫停等待。在這個控制周期內(nèi)，可能還要處理一些人機交互的操作，如讀取被控變量的期望控制值，以及給PID控制器的3個控制系數(shù)賦不同的值，以獲得不同的控制效果等。用PID控制算法控制小車速度基于PID控制算法的速度控制將數(shù)字編碼器測得的左輪當前轉(zhuǎn)速記為EcodeCounterLeftnow，右輪當前轉(zhuǎn)速記為Ecode_CounterRightnow。變量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、右輪前4次測得的轉(zhuǎn)速。用PID控制算法控制小車速度用PID控制算法控制小車速度圖3.10和圖3.11是兩個運行時刻的電機轉(zhuǎn)速控制程序運行效果。任務(wù)中設(shè)定的機器人速度期望值是12cm/s，在程序?qū)嶋H運行過程中，兩個輪子的線速度基本上都在11~13.8cm/s之間變化，能不能讓輪子的線速度更加準確呢？答案是否定的。因為影響控制器控制精度的因素有很多，其中一個關(guān)鍵因素是反饋的精度，也就是傳感器的檢測精度。用PID控制算法控制小車速度這里使用的簡易數(shù)字編碼器的最高速度檢測精度是多少呢？它由電機的最高轉(zhuǎn)速和數(shù)字編碼器每轉(zhuǎn)能夠輸出的脈沖個數(shù)決定。伺服電機的最高轉(zhuǎn)速約為60r/min，也就是1r/s，lr（轉(zhuǎn)）是6.28rad，同時數(shù)字編碼器能夠輸出8個脈沖，也就是說，每個脈沖對應(yīng)的弧度為6.28/8rad，即0.785rad，這個弧度對應(yīng)輪子轉(zhuǎn)過弧長為0.785×3.5cm，約為2.74cm，因為輪子的半徑為3.5cm，所以2.74cm/s就是數(shù)字編碼器的最高速度檢測精度。如果想要提高檢測精度，必須提高數(shù)字編碼器的分辨率，也就是每轉(zhuǎn)可以輸出的脈沖數(shù)。用PID控制算法控制小車速度另外，程序?qū)ID控制器的積分部分進行了簡化處理。按照原始的PID控制器，必須對所有檢測到的電機轉(zhuǎn)速進行累加積分，而這里只取了前4次進行累加。其實，在速度控制閉環(huán)中，積分環(huán)節(jié)對控制精度的影響較小，這從設(shè)定的K參數(shù)就可以看出來。任務(wù)中的PID控制器的系數(shù)是從哪里得來的呢？這里的數(shù)值是開發(fā)工程師通過多次實驗獲得的，因為在沒有模型的控制系統(tǒng)中，只能按照調(diào)整PID控制器系數(shù)的方法，通過不斷地實驗得到最佳的數(shù)值。這方面的內(nèi)容和技能是后續(xù)自動控制原理和現(xiàn)代控制工程課程的核心內(nèi)容。用PID控制算法控制小車速度03簡易里程計的設(shè)計利用數(shù)字編碼器測量輪子的運動距離很簡單，在任務(wù)3.1中已有詳細的說明。利用計數(shù)器統(tǒng)計數(shù)字編碼器信號線傳回的信號中有幾個下降沿，即可得出輪子轉(zhuǎn)過的角度。機器人小車使用的輪子有8個小孔，所以當單片機接收到8個下降沿時，表明輪子旋轉(zhuǎn)一圈。簡易里程計的設(shè)計簡易里程計設(shè)計原理簡易里程計的程序設(shè)計定時/計數(shù)器的設(shè)置和中斷說明與前面兩個任務(wù)相同，這里不再贅述。（1）簡易里程計程序?qū)崿F(xiàn)說明；（2）簡易里程計程序。簡易里程計的設(shè)計簡易里程計的設(shè)計圖3.12和圖3.13是兩次運行簡易里程計程序的運行效果。04擴展閱讀擴展閱讀該寄存器各位的定義如表3.2所示。①GATE——門控制位。當GATE=0時，定時/計數(shù)器啟動和停止只受控制寄存器TCON中的TRX（X=0，1；表示定時/計數(shù)器0，定時/計數(shù)器1）控制；當GATE=1時，定時/計數(shù)器啟動和停止由控制寄存器TCON中的TRX和外部中斷引腳（INT0或INT1）上的電平狀態(tài)來共同控制。②C/T——定時器模式與計數(shù)器模式選擇位。當C/T=1時，為計數(shù)器模式；當C/T=0時，為定時器模式。擴展閱讀擴展閱讀③M1、M0——工作方式選擇位。T0和T1都有4種工作方式，它們都由M1、M0設(shè)定。MI、M0各值對應(yīng)的4種工作方式如表3.3所示。擴展閱讀T0和T1的控制寄存器TCON各位的定義如表3.4所示。①TF1——T1溢出標志。當T1計滿溢出時，硬件自動置TFl為1，并申請中斷。進入中斷后，由硬件自動對TF1清零。②TR1——T1運行控制位。該控制位由軟件清零關(guān)閉T1。當GATE=1，且INT1為高電平時，TR1置1表示啟動T1；當GATE=0時，TR1置1表示啟動T1。③TF0——T0溢出標志。當T0計滿溢出時，硬件自動置TF0為1，并申請中斷。進入中斷后，由硬件自動對TF0清零。擴展閱讀④TR0——T0運行控制位。該控制位由軟件清零關(guān)閉T0。當GATE=1，且INT0為高電平時，TR0置1表示啟動T0；當GATE=0時，TR0置1表示啟動T0。⑤IE1——外部中斷1請求標志?？刂仆獠恐袛?，與定時/計數(shù)器無關(guān)。對于初學(xué)者來說，不需要操作外部中斷，所以此處不詳細介紹該寄存器位。⑥IT1——外部中斷1觸發(fā)方式選擇位。控制外部中斷，與定時/計數(shù)器無關(guān)。對于初學(xué)者來說，不需要操作外部中斷，所以此處不詳細介紹該寄存器位。擴展閱讀⑦IE0——外部中斷0請求標志。控制外部中斷，與定時/計數(shù)器無關(guān)。對于初學(xué)者來說，不需要操作外部中斷，所以此處不詳細介紹該寄存器位。⑧IT0——外部中斷0觸發(fā)方式選擇位?？刂仆獠恐袛?，與定時/計數(shù)器無關(guān)。對于初學(xué)者來說，不需要操作外部中斷，所以此處不詳細介紹該寄存器位。擴展閱讀T0和T1的計數(shù)寄存器TH0、TL0、TH1、TL1TH0、TL0（TH1、TL1）是T0（T1）的高8位和低8位計數(shù)器，TH0、TL0（TH1、TL1）是連在一起的計數(shù)器。當?shù)?位TL0（TL1）計數(shù)器計滿溢出時，向高8位TH0（TH1）計數(shù)器進1；當高8位和低8位計數(shù)器都計滿溢出時，將TF0（TF1）置1并申請中斷，進入中斷程序，再將TF0（TF1）置0。擴展閱讀T2的T2CON寄存器和T2MOD寄存器T2作為AT89S52芯片新增的一類定時器，只有52系列單片機才具有。T2是16位定時/計數(shù)器，可通過設(shè)置特殊功能寄存器T2CON中的C/T2來設(shè)置T2是作為定時器還是計數(shù)器使用。特殊功能寄存器T2CON還可以設(shè)置T2的工作方式，其工作方式有3種：捕獲方式、自動重裝方式（遞增或遞減計數(shù)）和波特率發(fā)生器。T2的T2MOD寄存器用于設(shè)定定時/計數(shù)器在自動重裝方式下是遞增計數(shù)還是遞減計數(shù)。擴展閱讀擴展閱讀當單片機復(fù)位時，T2CON寄存器全部被清零，該寄存器各位的定義如表3.5所示。在將T2設(shè)置為捕獲工作方式后，還需要設(shè)定EXEN2的值，這樣捕獲功能才能正常實現(xiàn)。當EXEN2=1時，捕獲功能被激活，允許捕獲T2EX引腳的下降沿觸發(fā)信號；當EXEN2=0時，捕獲功能被禁止，T2EX引腳的下降沿觸發(fā)信號對T2無效。擴展閱讀捕獲方式中斷的目的是提高單片機處理外部或內(nèi)部事件的能力。由于事件有一般事件和緊急事件之分，在一般情況下，程序會按照事件的先后順序執(zhí)行，但在發(fā)生一件緊急事件需要緊急處理時，就需要中斷當前的一般事件，優(yōu)先去做緊急事件，在處理完緊急事件后再回來做被中斷的一般事件，這就是中斷的作用。在日常生活中，中斷事件經(jīng)常發(fā)生。擴展閱讀中斷相關(guān)知識及中斷寄存器介紹對于單片機來說，中斷就是CPU在處理事件A時發(fā)生了事件B，但CPU只能處理一件事，當前事件B更為緊急，必須馬上處理，于是，CPU暫停處理事件A（做出中斷響應(yīng)），轉(zhuǎn)去處理事件B（執(zhí)行中斷程序）。等處理完事件B后，CPU再回來處理未做完的事件A（中斷程序執(zhí)行完畢，返回原先執(zhí)行的程序。）。擴展閱讀中斷相關(guān)知識介紹我們常把事件B的中斷請求稱為中斷源。在單片機中有6個中斷源，每個中斷源都有對應(yīng)的中斷條件，6個中斷源也有中斷優(yōu)先級之分。當有多個中斷同時發(fā)生時，單片機會根據(jù)中斷源的優(yōu)先級高低，先從優(yōu)先級高的中斷源開始處理，一直執(zhí)行到優(yōu)先級最低的中斷源，最后再回到原中斷