基于A(yíng)T89C2051的多路舵機控制器設計

舵機是一種位置伺服的驅動(dòng)器。它接收一定的控制信號，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。在微機電系統和航模中，它是一個(gè)基本的輸出執行機構。

1 舵機的工作原理
以日本FUTABA-S3003型舵機為例，圖1是FUFABA-S3003型舵機的內部電路。

舵機的工作原理是：PWM信號由接收通道進(jìn)入信號解調電路BA66881。的12腳進(jìn)行解調，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。該輸出送人電機驅動(dòng)集成電路BA6686，以驅動(dòng)電機正反轉。當電機轉速一定時(shí)，通過(guò)級聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器R。，旋轉，直到電壓差為O，電機停止轉動(dòng)。舵機的控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機的位置。

2 舵機的控制方法
標準的舵機有3條導線(xiàn)，分別是：電源線(xiàn)、地線(xiàn)、控制線(xiàn)，如圖2所示。

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

3 舵機控制器的設計
(1)舵機控制器硬件電路設計
從上述舵機轉角的控制方法可看出，舵機的控制信號實(shí)質(zhì)是一個(gè)可嗣寬度的方波信號(PWM)。該方波信號可由FPGA、模擬電路或單片機來(lái)產(chǎn)生。采用FPGA成本較高，用模擬電路來(lái)實(shí)現則電路較復雜，不適合作多路輸出。一般采用單片機作舵機的控制器。目前采用單片機做舵機控制器的方案比較多，可以利用單片機的定時(shí)器中斷實(shí)現PWM。該方案將20ms的周期信號分為兩次定時(shí)中斷來(lái)完成：一次定時(shí)實(shí)現高電平定時(shí)Th；一次定時(shí)實(shí)現低電平定時(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信號完全由單片機內部定時(shí)器的中斷來(lái)實(shí)現，不需要添加外圍硬件。缺點(diǎn)是一個(gè)周期中的PWM信號要分兩次中斷來(lái)完成，兩次中斷的定時(shí)值計算較麻煩；為了滿(mǎn)足20ms的周期，單片機晶振的頻率要降低；不能實(shí)現多路輸出。也可以采用單片機+8253計數器的實(shí)現方案。該方案由單片機產(chǎn)生計數脈沖(或外部電路產(chǎn)生計數脈沖)提供給8253進(jìn)行計數，由單片機給出8253的計數比較值來(lái)改變輸出脈寬。該方案的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現多路輸出，軟件設計較簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是要添加l片8253計數器，增加了硬件成本。本文在綜合上述兩個(gè)單片機舵機控制方案基礎上，提出了一個(gè)新的設計方案，如圖4所示。

該方案的舵機控制器以AT89C2051單片機為核心，555構成的振蕩器作為定時(shí)基準，單片機通過(guò)對555振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數來(lái)產(chǎn)生PWM信號。該控制器中單片機可以產(chǎn)生8個(gè)通道的PWM信號，分別由AT89C2051的P1．0～Pl.7(12～19引腳)端口輸出。輸出的8路PWM信號通過(guò)光耦隔離傳送到下一級電路中。因為信號通過(guò)光耦傳送過(guò)程中進(jìn)行了反相，因此從光耦出來(lái)的信號必須再經(jīng)過(guò)反相器進(jìn)行反相。方波信號經(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施密特反相器對光耦傳輸過(guò)來(lái)的信號進(jìn)行整形，產(chǎn)生標準的PWM方波信號。筆者在實(shí)驗過(guò)程中發(fā)現，舵機在運行過(guò)程中要從電源吸納較大的電流，若舵機與單片機控制器共用一個(gè)電源，則舵機會(huì )對單片機產(chǎn)生較大的干擾。因此，舵機與單片機控制器采用兩個(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。該舵機控制器占用單片機的個(gè)SCI串口。串口用于接收上位機傳送過(guò)來(lái)的控制命令，以調節每一個(gè)通道輸出信號的脈沖寬度。MAX232為電平轉換器，將上位機的RS232電平轉換成TTL電平。

(2)實(shí)現多路PWM信號的原理
在模擬電路中，PWM脈沖信號可以通過(guò)直流電平與鋸齒波信號比較來(lái)得到。在單片機中，鋸齒波可以通過(guò)對整型變量加1操作來(lái)實(shí)現，如圖5所示。假定單片機程序中設置一整型變量SawVal，其值變化范圍為O～N。555振蕩電路產(chǎn)生的外部計數時(shí)鐘信號輸入到AT89C2051的INTO腳。每當在外部計數時(shí)鐘脈沖的下降沿，單片機產(chǎn)生外部中斷，執行外部中斷INT0的中斷服務(wù)程序。每產(chǎn)生一次外部中斷，對SawVal執行一次加1操作，若SawVal已達到最大值N，則對SawVal清O。SawVal值的變化規律相當于鋸齒波，如圖5所示。若在單片機程序中設置另一整型變量DutyVal，其值的變化范圍為O～N。每當在SawVal清0時(shí)，DulyVal從上位機發(fā)送的控制命令中讀入脈沖寬度系數值，例如為H(0≤H≤N)。若DutyVal≥SawVal，則對應端口輸出高電平；若DutyValSawval，則對應端口輸出低電平。從圖5中可看出，若改變DutyVal的值，則對應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。

設外部計數時(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)，只須選定計數最大值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，即調節精度。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。文中計數變量SawVal采用8位整型變量，因此N=255。對于一般應用，其精度已足夠。就舵機而言，要求TPWM=20ms，則可算得外部時(shí)鐘周期為：

因此，設計555振蕩電路時(shí)，其輸出脈沖的頻率應為：

當有多個(gè)變量與SawVal比較，將比較結果輸出到多個(gè)端口時(shí)。就形成了多路PWM波形。各個(gè)變量的值可以獨立變化，因此各路PWM波形的占空比也可以獨立調節，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 舵機控制器軟件的設計
舵機控制器的控制核心為單片機AT89C2051。文中，程序用C5l編寫(xiě)，工作方式為前后臺工作方式。單片機程序包括系統初始化程序、串口通信程序、上位機命令解釋與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位數據位、1位停止位、無(wú)校驗、ASCII碼字符通信。串口通信程序用于接收上位機發(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，脈寬系數為25，則通信協(xié)議內容為“#”“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)通道號對應一個(gè)PWM脈沖輸出端口。本設計為8個(gè)通道，號碼為l～8，對應單片機的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ASCII碼，Dutyl00、DutylO、Duoyl分別存放的是脈寬系數的百位數、十位數和個(gè)位數的ASCII碼(注意，若高位數為O，則該位的字符應為“0”，不能省略。如25，完整字符應為“O”“2”“5”。CharNo為信號量，用于對串口接收的字符順序以及串口中斷與上位機命令解釋程序之間進(jìn)行同步。

5 舵機控制器實(shí)驗
圖9為舵機控制板輸出的其中一路PWM波形(帶舵機負載)。
從圖9中可看出，舵機控制器輸出的PWM波形穩定、干凈，符合設計要求。

6 結論
本文提出的多路舵機控制器設計方法，以單片機AT89C2051為核心，由外部振蕩電路提供PWM脈沖的定時(shí)基準，控制部分與舵機驅動(dòng)部分由兩個(gè)電源供電，兩者電氣隔離。這種設計方案的優(yōu)點(diǎn)是：
①PWM波形由外部振蕩電路提供定時(shí)基準，與單片機內部振蕩器的頻率無(wú)關(guān)，不影響串口通信、定時(shí)器等參數的配置。
②PWM波形的調整精度可任意確定。
③本沒(méi)計思路可應用于任意多路的PWM輸出，只要單片機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控制參數由SCI串口輸入，適應面廣，上位機可以是PC機、單片機或是PLC。
⑤本方法具有一般性，任何單片機只要能提供SCI中斷、外部中斷就可以應用本方法。
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