AT89C2051多路舵機控制電路詳解

　　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。以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。

　　舵機的控制方法

　　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。

　　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($0.5940)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($0.1125)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($2.0686)為電平轉換器，將上位機的RS232($780.5000)電平轉換成TTL電平。

　　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DutyVal《Sawval，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。