基于AT89C2051的多路舵機控制器設(shè)計

舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器。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(tǒng)。在微機電系統(tǒng)和航模中，它是一個基本的輸出執(zhí)行機構(gòu)。

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(nèi)部電路。

舵機的工作原理是：PWM信號由接收通道進入信號解調(diào)電路BA66881。的12腳進行解調(diào)，獲得一個直流偏置電壓。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(qū)動集成電路BA6686，以驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器R。，旋轉(zhuǎn)，直到電壓差為O，電機停止轉(zhuǎn)動。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(biāo)準(zhǔn)的舵機有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內(nèi)部的直流電機和控制線路所需的能源．電壓通常介于4～6V，一般取5V。注意，給舵機供電電源應(yīng)能提供足夠的功率。控制線的輸入是一個寬度可調(diào)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(dāng)方波的脈沖寬度改變時，舵機轉(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。某型舵機的輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號的脈沖寬度之間的關(guān)系可用圍3來表示。

3 舵機控制器的設(shè)計
(1)舵機控制器硬件電路設(shè)計
從上述舵機轉(zhuǎn)角的控制方法可看出，舵機的控制信號實質(zhì)是一個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產(chǎn)生。采用FPGA成本較高，用模擬電路來實現(xiàn)則電路較復(fù)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器中斷實現(xiàn)PWM。該方案將20ms的周期信號分為兩次定時中斷來完成：一次定時實現(xiàn)高電平定時Th；一次定時實現(xiàn)低電平定時T1。Th、T1的時間值隨脈沖寬度的變換而變化，但，Th+T1=20ms。該方法的優(yōu)點是，PWM信號完全由單片機內(nèi)部定時器的中斷來實現(xiàn)，不需要添加外圍硬件。缺點是一個周期中的PWM信號要分兩次中斷來完成，兩次中斷的定時值計算較麻煩；為了滿足20ms的周期，單片機晶振的頻率要降低；不能實現(xiàn)多路輸出。也可以采用單片機+8253計數(shù)器的實現(xiàn)方案。該方案由單片機產(chǎn)生計數(shù)脈沖(或外部電路產(chǎn)生計數(shù)脈沖)提供給8253進行計數(shù)，由單片機給出8253的計數(shù)比較值來改變輸出脈寬。該方案的優(yōu)點是可以實現(xiàn)多路輸出，軟件設(shè)計較簡單；缺點是要添加l片8253計數(shù)器，增加了硬件成本。本文在綜合上述兩個單片機舵機控制方案基礎(chǔ)上，提出了一個新的設(shè)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(gòu)成的振蕩器作為定時基準(zhǔn)，單片機通過對555振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)來產(chǎn)生PWM信號。該控制器中單片機可以產(chǎn)生8個通道的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信號通過光耦隔離傳送到下一級電路中。因為信號通過光耦傳送過程中進行了反相，因此從光耦出來的信號必須再經(jīng)過反相器進行反相。方波信號經(jīng)過光耦傳輸后，前沿和后沿會發(fā)生畸變，因此反相器采用CD40106施密特反相器對光耦傳輸過來的信號進行整形，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的PWM方波信號。筆者在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，舵機在運行過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電源，則舵機會對單片機產(chǎn)生較大的干擾。因此，舵機與單片機控制器采用兩個電源供電，兩者不共地，通過光耦來隔離，并且給舵機供電的電源最好采用輸出功率較大的開關(guān)電源。該舵機控制器占用單片機的個SCI串口。串口用于接收上位機傳送過來的控制命令，以調(diào)節(jié)每一個通道輸出信號的脈沖寬度。MAX232為電平轉(zhuǎn)換器，將上位機的RS232電平轉(zhuǎn)換成TTL電平。

(2)實現(xiàn)多路PWM信號的原理
在模擬電路中，PWM脈沖信號可以通過直流電平與鋸齒波信號比較來得到。在單片機中，鋸齒波可以通過對整型變量加1操作來實現(xiàn)，如圖5所示。假定單片機程序中設(shè)置一整型變量SawVal，其值變化范圍為O～N。555振蕩電路產(chǎn)生的外部計數(shù)時鐘信號輸入到AT89C2051的INTO腳。每當(dāng)在外部計數(shù)時鐘脈沖的下降沿，單片機產(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SawVal執(zhí)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(guī)律相當(dāng)于鋸齒波，如圖5所示。若在單片機程序中設(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，DulyVal從上位機發(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，則對應(yīng)端口輸出高電平；若DutyValSawval，則對應(yīng)端口輸出低電平。從圖5中可看出，若改變DutyVal的值，則對應(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)外部計數(shù)時鐘周期為TINT0，鋸齒波周期(PWM脈沖周期)為TPWM，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，只須選定計數(shù)最大值N，就可以確定外部時鐘脈沖所需周期(頻率)。外部時鐘脈沖周期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。文中計數(shù)變量SawVal采用8位整型變量，因此N=255。對于一般應(yīng)用，其精度已足夠。就舵機而言，要求TPWM=20ms，則可算得外部時鐘周期為：

因此，設(shè)計555振蕩電路時，其輸出脈沖的頻率應(yīng)為：

當(dāng)有多個變量與SawVal比較，將比較結(jié)果輸出到多個端口時。就形成了多路PWM波形。各個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(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 舵機控制器軟件的設(shè)計
舵機控制器的控制核心為單片機AT89C2051。文中，程序用C5l編寫，工作方式為前后臺工作方式。單片機程序包括系統(tǒng)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(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗、ASCII碼字符通信。串口通信程序用于接收上位機發(fā)送過來的控制命令。控制命令采用自定義文本協(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個字符。這時通道l的PWM占空比為25／256=O．098。一個通道號對應(yīng)一個PWM脈沖輸出端口。本設(shè)計為8個通道，號碼為l～8，對應(yīng)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(shù)的百位數(shù)、十位數(shù)和個位數(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行同步。

5 舵機控制器實驗
圖9為舵機控制板輸出的其中一路PWM波形(帶舵機負(fù)載)。
從圖9中可看出，舵機控制器輸出的PWM波形穩(wěn)定、干凈，符合設(shè)計要求。

6 結(jié)論
本文提出的多路舵機控制器設(shè)計方法，以單片機AT89C2051為核心，由外部振蕩電路提供PWM脈沖的定時基準(zhǔn)，控制部分與舵機驅(qū)動部分由兩個電源供電，兩者電氣隔離。這種設(shè)計方案的優(yōu)點是：
①PWM波形由外部振蕩電路提供定時基準(zhǔn)，與單片機內(nèi)部振蕩器的頻率無關(guān)，不影響串口通信、定時器等參數(shù)的配置。
②PWM波形的調(diào)整精度可任意確定。
③本沒計思路可應(yīng)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(shù)由SCI串口輸入，適應(yīng)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(yīng)用本方法。
編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www．mesnet．com．cn。