多路舵機控制PWM發(fā)生器的設計與Proteus仿真

摘要：PWM脈寬信號調制是現代電子行業(yè)中使用較為廣泛的一種脈沖信號，其典型應用就是舵機控制。以Proteus和Keil軟件為基礎，介紹了在Proteus環(huán)境下利用51單片機產(chǎn)生多路PWM脈沖的實(shí)現方法。最后以一個(gè)典型的應用實(shí)例驗證了設計的可行性與可靠性。實(shí)驗證明，本系統可在單片機定時(shí)器資源有限的情況下同時(shí)對多個(gè)舵機的輸出轉角進(jìn)行控制。
關(guān)鍵詞：PWM；舵機控制；Proteus；Keil；單片機

0 引言
單片機是現代儀器儀表、家用電器、工業(yè)儀器等領(lǐng)域應用十分廣泛的可編程器件之一，有著(zhù)價(jià)格低廉、編程靈活、體積小、可擴展性強等優(yōu)點(diǎn)。單片機功能的飛速發(fā)展，其應用范圍日益廣泛，小到玩具，大到機器人，無(wú)論從數據采集，過(guò)程控制，模糊控制等智能系統，還是人類(lèi)的日常生活，都離不開(kāi)單片機。但是在單片機系統的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，如果先制作好電路板，再反復編程調試，就會(huì )給單片機系統開(kāi)發(fā)帶來(lái)一定的麻煩。而如果設計初期就將Proteus軟件作為單片機系統的開(kāi)發(fā)調試仿真工具，則可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題，在Proteus上仿真通過(guò)后再制作電路板，就可以大大縮短開(kāi)發(fā)周期和研發(fā)成本。本文以一個(gè)典型的單片機應用實(shí)例為基礎，使用Proteus和Keil軟件作為開(kāi)發(fā)工具，介紹了單片機系統初期開(kāi)發(fā)的設計與仿真過(guò)程。

1 Proteus軟件簡(jiǎn)介
Proteus軟件是英國Labcenter Electronics公司開(kāi)發(fā)的EDA工具軟件，已有近20年的歷史，在全球得到了廣泛的應用。Proteus軟件功能強大，它集電路設計、制版及仿真等多功能于一身，不僅能夠對電工、電子技術(shù)學(xué)科涉及的電路進(jìn)行設計與分析，還能夠對微處理器進(jìn)行設計和仿真，并且功能齊全，界面多彩，是近年來(lái)備受電子設計愛(ài)好者青睞的一款新型電子線(xiàn)路設計與仿真軟件。它的電路仿真功能可以和Multisim相媲美，而獨特的單片機仿真功能是Multisim以及其他任何仿真軟件都不具備的，同時(shí)，它的PCB電路制版功能可以和Protel相媲美。此外，它的功能不但強大，而且各種功能都毫不遜于同類(lèi)軟件，是廣大電子設計愛(ài)好者難得的一個(gè)工具軟件。Proteus目前支持的單片機類(lèi)型有：6800系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。同時(shí)還可以支持第三方的軟件編譯和調試環(huán)境(如Keil等軟件)。

2 舵機及其工作原理
2．1 舵機簡(jiǎn)介
舵機英文稱(chēng)Servo，也稱(chēng)伺服機，其特點(diǎn)是結構緊湊、易于安裝調試、控制簡(jiǎn)單、大扭力、成本較低等。舵機是一種位置伺服的驅動(dòng)器，主要用于各種飛行器的執行機構。其工作原理是：控制信號由接收機的通道進(jìn)入信號調試芯片，從而獲得直流偏置電壓。它內部有一個(gè)基準電路，可以產(chǎn)生周期為20 ms、寬度為1．5 ms的基準信號，如果將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓相比較，即可獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負信號輸出到電機驅動(dòng)芯片，即可決定電機的正反轉。當電機轉速一定時(shí)，通過(guò)級聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉，以使得電壓差為0，電機停止轉動(dòng)。舵機可以通過(guò)連桿將轉動(dòng)轉化為位移，再控制槳葉、油門(mén)、舵面等機構的動(dòng)作，從而達到改變被控物體姿態(tài)的作用。圖1所示為某型號舵機的實(shí)物圖。

實(shí)際應用中，很多時(shí)候往往需要同時(shí)使用多個(gè)舵機才能達到控制的目的，例如固定翼的模型飛機至少需要3個(gè)舵機才能保證其空中姿態(tài)的穩定，而機器人則需要更多舵機來(lái)完成其機械動(dòng)作和功能。雖然利用FPGA可以輸出多路PWM波形，但是，FPGA管腳多，不易焊接，成本較高，性?xún)r(jià)比不高。而利用單片機定時(shí)器輸出PWM信號來(lái)控制舵機是個(gè)很好的方法，但是，單片機的定時(shí)器資源有限，這就需要通過(guò)一定的編程技巧，用一個(gè)定時(shí)器來(lái)實(shí)現多路PWM脈沖的輸出，從而一次性控制多個(gè)舵機動(dòng)作，以達到節省單片機資源之目的。
2．2 舵機工作原理
標準的舵機有三條線(xiàn)，分別是電源線(xiàn)、地線(xiàn)和控制信號線(xiàn)。其中控制信號線(xiàn)需要輸入PWM信號，以便利用占空比來(lái)控制舵機的位置。本文的PWM信號是一種周期為20 ms的脈寬調制信號，而舵機信號線(xiàn)的輸入脈沖寬度為0．5～2．5ms的PWM信號時(shí)，其輸出轉角可在0°～180°間變化，輸出轉角和脈沖寬度的關(guān)系可簡(jiǎn)單的表示為：
α=90(t-0．5)
式中，α為舵機輸出轉角；t為脈沖寬度，其定義域為0．5≤t≤2．5。由此可以看出，舵機的輸出轉角和脈沖寬度是一種線(xiàn)性關(guān)系。