基于AT89C2051的多路舵機(jī)控制器設(shè)計(jì)

舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器。它接收一定的控制信號(hào)，輸出一定的角度，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。在微機(jī)電系統(tǒng)和航模中，它是一個(gè)基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1 舵機(jī)的工作原理
以日本FUTABA-S3003型舵機(jī)為例，圖1是FUFABA-S3003型舵機(jī)的內(nèi)部電路。

舵機(jī)的工作原理是：PWM信號(hào)由接收通道進(jìn)入信號(hào)解調(diào)電路BA66881。的12腳進(jìn)行解調(diào)，獲得一個(gè)直流偏置電壓。該直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差由BA6688的3腳輸出。該輸出送人電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路BA6686，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器R。，旋轉(zhuǎn)，直到電壓差為O，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)的控制信號(hào)是PWM信號(hào)，利用占空比的變化改變舵機(jī)的位置。

2 舵機(jī)的控制方法
標(biāo)準(zhǔn)的舵機(jī)有3條導(dǎo)線，分別是：電源線、地線、控制線，如圖2所示。

電源線和地線用于提供舵機(jī)內(nèi)部的直流電機(jī)和控制線路所需的能源．電壓通常介于4～6V，一般取5V。注意，給舵機(jī)供電電源應(yīng)能提供足夠的功率?？刂凭€的輸入是一個(gè)寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號(hào)，方波脈沖信號(hào)的周期為20 ms(即頻率為50 Hz)。當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。某型舵機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號(hào)的脈沖寬度之間的關(guān)系可用圍3來(lái)表示。

3 舵機(jī)控制器的設(shè)計(jì)
(1)舵機(jī)控制器硬件電路設(shè)計(jì)
從上述舵機(jī)轉(zhuǎn)角的控制方法可看出，舵機(jī)的控制信號(hào)實(shí)質(zhì)是一個(gè)可嗣寬度的方波信號(hào)(PWM)。該方波信號(hào)可由FPGA、模擬電路或單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生。采用FPGA成本較高，用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)則電路較復(fù)雜，不適合作多路輸出。一般采用單片機(jī)作舵機(jī)的控制器。目前采用單片機(jī)做舵機(jī)控制器的方案比較多，可以利用單片機(jī)的定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)PWM。該方案將20ms的周期信號(hào)分為兩次定時(shí)中斷來(lái)完成：一次定時(shí)實(shí)現(xiàn)高電平定時(shí)Th；一次定時(shí)實(shí)現(xiàn)低電平定時(shí)T1。Th、T1的時(shí)間值隨脈沖寬度的變換而變化，但，Th+T1=20ms。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，PWM信號(hào)完全由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器的中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，不需要添加外圍硬件。缺點(diǎn)是一個(gè)周期中的PWM信號(hào)要分兩次中斷來(lái)完成，兩次中斷的定時(shí)值計(jì)算較麻煩；為了滿(mǎn)足20ms的周期，單片機(jī)晶振的頻率要降低；不能實(shí)現(xiàn)多路輸出。也可以采用單片機(jī)+8253計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)方案。該方案由單片機(jī)產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖(或外部電路產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖)提供給8253進(jìn)行計(jì)數(shù)，由單片機(jī)給出8253的計(jì)數(shù)比較值來(lái)改變輸出脈寬。該方案的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)多路輸出，軟件設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是要添加l片8253計(jì)數(shù)器，增加了硬件成本。本文在綜合上述兩個(gè)單片機(jī)舵機(jī)控制方案基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)新的設(shè)計(jì)方案，如圖4所示。

該方案的舵機(jī)控制器以AT89C2051單片機(jī)為核心，555構(gòu)成的振蕩器作為定時(shí)基準(zhǔn)，單片機(jī)通過(guò)對(duì)555振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)產(chǎn)生PWM信號(hào)。該控制器中單片機(jī)可以產(chǎn)生8個(gè)通道的PWM信號(hào)，分別由AT89C2051的P1．0～Pl.7(12～19引腳)端口輸出。輸出的8路PWM信號(hào)通過(guò)光耦隔離傳送到下一級(jí)電路中。因?yàn)樾盘?hào)通過(guò)光耦傳送過(guò)程中進(jìn)行了反相，因此從光耦出來(lái)的信號(hào)必須再經(jīng)過(guò)反相器進(jìn)行反相。方波信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦傳輸后，前沿和后沿會(huì)發(fā)生畸變，因此反相器采用CD40106施密特反相器對(duì)光耦傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行整形，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的PWM方波信號(hào)。筆者在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，舵機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中要從電源吸納較大的電流，若舵機(jī)與單片機(jī)控制器共用一個(gè)電源，則舵機(jī)會(huì)對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生較大的干擾。因此，舵機(jī)與單片機(jī)控制器采用兩個(gè)電源供電，兩者不共地，通過(guò)光耦來(lái)隔離，并且給舵機(jī)供電的電源最好采用輸出功率較大的開(kāi)關(guān)電源。該舵機(jī)控制器占用單片機(jī)的個(gè)SCI串口。串口用于接收上位機(jī)傳送過(guò)來(lái)的控制命令，以調(diào)節(jié)每一個(gè)通道輸出信號(hào)的脈沖寬度。MAX232為電平轉(zhuǎn)換器，將上位機(jī)的RS232電平轉(zhuǎn)換成TTL電平。

(2)實(shí)現(xiàn)多路PWM信號(hào)的原理
在模擬電路中，PWM脈沖信號(hào)可以通過(guò)直流電平與鋸齒波信號(hào)比較來(lái)得到。在單片機(jī)中，鋸齒波可以通過(guò)對(duì)整型變量加1操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。假定單片機(jī)程序中設(shè)置一整型變量SawVal，其值變化范圍為O～N。555振蕩電路產(chǎn)生的外部計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)輸入到AT89C2051的INTO腳。每當(dāng)在外部計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖的下降沿，單片機(jī)產(chǎn)生外部中斷，執(zhí)行外部中斷INT0的中斷服務(wù)程序。每產(chǎn)生一次外部中斷，對(duì)SawVal執(zhí)行一次加1操作，若SawVal已達(dá)到最大值N，則對(duì)SawVal清O。SawVal值的變化規(guī)律相當(dāng)于鋸齒波，如圖5所示。若在單片機(jī)程序中設(shè)置另一整型變量DutyVal，其值的變化范圍為O～N。每當(dāng)在SawVal清0時(shí)，DulyVal從上位機(jī)發(fā)送的控制命令中讀入脈沖寬度系數(shù)值，例如為H(0≤H≤N)。若DutyVal≥SawVal，則對(duì)應(yīng)端口輸出高電平；若DutyValSawval，則對(duì)應(yīng)端口輸出低電平。從圖5中可看出，若改變DutyVal的值，則對(duì)應(yīng)端口輸出脈沖的寬度發(fā)生變化，但輸出脈沖的頻率不變，此即為PWM波形。

設(shè)外部計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期為T(mén)INT0，鋸齒波周期(PWM脈沖周期)為T(mén)PWM，PWM脈沖寬度占空比為D，由圖5可得出如下關(guān)系：

由式(3)可知，PWM波形的周期TPWM一旦確定下來(lái)，只須選定計(jì)數(shù)最大值N，就可以確定外部時(shí)鐘脈沖所需周期(頻率)。外部時(shí)鐘脈沖周期TINT0顯然是PWM脈沖寬度變換的最小步距，即調(diào)節(jié)精度。由式(4)可知，N越大，步距所占PWM周期的百分比越小，精度越高。例如，若采用8位整型變量，最大值N=28-1=255，則精度為1／(255+1)=1／255；若采用16位整型變量，最大值N=216-1=65535，則精度為1／65536。文中計(jì)數(shù)變量SawVal采用8位整型變量，因此N=255。對(duì)于一般應(yīng)用，其精度已足夠。就舵機(jī)而言，要求TPWM=20ms，則可算得外部時(shí)鐘周期為：

因此，設(shè)計(jì)555振蕩電路時(shí)，其輸出脈沖的頻率應(yīng)為：

當(dāng)有多個(gè)變量與SawVal比較，將比較結(jié)果輸出到多個(gè)端口時(shí)。就形成了多路PWM波形。各個(gè)變量的值可以獨(dú)立變化，因此各路PWM波形的占空比也可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，互不相干。多路PWM波形的產(chǎn)生如圖6所示。圖中以3路PWM波形為例。

4 舵機(jī)控制器軟件的設(shè)計(jì)
舵機(jī)控制器的控制核心為單片機(jī)AT89C2051。文中，程序用C5l編寫(xiě)，工作方式為前后臺(tái)工作方式。單片機(jī)程序包括系統(tǒng)初始化程序、串口通信程序、上位機(jī)命令解釋與PWM脈寬生成程序和多路PWM波形輸出程序。串行通信程序和多路PWM波形輸出程序采用中斷方式。串口通信格式為渡特率9600bps、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無(wú)校驗(yàn)、ASCII碼字符通信。串口通信程序用于接收上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的控制命令?？刂泼畈捎米远x文本協(xié)議，即協(xié)議內(nèi)容全部為ASCII碼字符。通信協(xié)議格式如圖7所示。

例如，要控制通道1的PWM脈寬，脈寬系數(shù)為25，則通信協(xié)議內(nèi)容為“#”“1”“0”“2”“5”“!”這6個(gè)字符。這時(shí)通道l的PWM占空比為25／256=O．098。一個(gè)通道號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)PWM脈沖輸出端口。本設(shè)計(jì)為8個(gè)通道，號(hào)碼為l～8，對(duì)應(yīng)單片機(jī)的P1．o～P1．7。起始符和終止符起到幀同步的作用。串口通信程序流程如圖8所示。

圖8中，CHNo存放的是PWM通道號(hào)ASCII碼，Dutyl00、DutylO、Duoyl分別存放的是脈寬系數(shù)的百位數(shù)、十位數(shù)和個(gè)位數(shù)的ASCII碼(注意，若高位數(shù)為O，則該位的字符應(yīng)為“0”，不能省略。如25，完整字符應(yīng)為“O”“2”“5”。CharNo為信號(hào)量，用于對(duì)串口接收的字符順序以及串口中斷與上位機(jī)命令解釋程序之間進(jìn)行同步。

5 舵機(jī)控制器實(shí)驗(yàn)
圖9為舵機(jī)控制板輸出的其中一路PWM波形(帶舵機(jī)負(fù)載)。
從圖9中可看出，舵機(jī)控制器輸出的PWM波形穩(wěn)定、干凈，符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論
本文提出的多路舵機(jī)控制器設(shè)計(jì)方法，以單片機(jī)AT89C2051為核心，由外部振蕩電路提供PWM脈沖的定時(shí)基準(zhǔn)，控制部分與舵機(jī)驅(qū)動(dòng)部分由兩個(gè)電源供電，兩者電氣隔離。這種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是：
①PWM波形由外部振蕩電路提供定時(shí)基準(zhǔn)，與單片機(jī)內(nèi)部振蕩器的頻率無(wú)關(guān)，不影響串口通信、定時(shí)器等參數(shù)的配置。
②PWM波形的調(diào)整精度可任意確定。
③本沒(méi)計(jì)思路可應(yīng)用于任意多路的PWM輸出，只要單片機(jī)能提供足夠多的輸出端口，例如將AT89C2051換成AT89S5l，就可以提供至少24路的PWM輸出(P0、Pl、P2)。
④控制參數(shù)由SCI串口輸入，適應(yīng)面廣，上位機(jī)可以是PC機(jī)、單片機(jī)或是PLC。
⑤本方法具有一般性，任何單片機(jī)只要能提供SCI中斷、外部中斷就可以應(yīng)用本方法。
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