多路舵機(jī)控制PWM發(fā)生器的設(shè)計(jì)與Proteus仿真

摘要：PWM脈寬信號(hào)調(diào)制是現(xiàn)代電子行業(yè)中使用較為廣泛的一種脈沖信號(hào)，其典型應(yīng)用就是舵機(jī)控制。以Proteus和Keil軟件為基礎(chǔ)，介紹了在Proteus環(huán)境下利用51單片機(jī)產(chǎn)生多路PWM脈沖的實(shí)現(xiàn)方法。最后以一個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性與可靠性。實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)可在單片機(jī)定時(shí)器資源有限的情況下同時(shí)對(duì)多個(gè)舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制。
關(guān)鍵詞：PWM；舵機(jī)控制；Proteus；Keil；單片機(jī)

0 引言
單片機(jī)是現(xiàn)代儀器儀表、家用電器、工業(yè)儀器等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛的可編程器件之一，有著價(jià)格低廉、編程靈活、體積小、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)功能的飛速發(fā)展，其應(yīng)用范圍日益廣泛，小到玩具，大到機(jī)器人，無論從數(shù)據(jù)采集，過程控制，模糊控制等智能系統(tǒng)，還是人類的日常生活，都離不開單片機(jī)。但是在單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)過程中，如果先制作好電路板，再反復(fù)編程調(diào)試，就會(huì)給單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)帶來一定的麻煩。而如果設(shè)計(jì)初期就將Proteus軟件作為單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試仿真工具，則可以很好的解決這個(gè)問題，在Proteus上仿真通過后再制作電路板，就可以大大縮短開發(fā)周期和研發(fā)成本。本文以一個(gè)典型的單片機(jī)應(yīng)用實(shí)例為基礎(chǔ)，使用Proteus和Keil軟件作為開發(fā)工具，介紹了單片機(jī)系統(tǒng)初期開發(fā)的設(shè)計(jì)與仿真過程。

1 Proteus軟件簡(jiǎn)介
Proteus軟件是英國(guó)Labcenter Electronics公司開發(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(yīng)用。Proteus軟件功能強(qiáng)大，它集電路設(shè)計(jì)、制版及仿真等多功能于一身，不僅能夠?qū)﹄姽?、電子技術(shù)學(xué)科涉及的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，還能夠?qū)ξ⑻幚砥鬟M(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，并且功能齊全，界面多彩，是近年來備受電子設(shè)計(jì)愛好者青睞的一款新型電子線路設(shè)計(jì)與仿真軟件。它的電路仿真功能可以和Multisim相媲美，而獨(dú)特的單片機(jī)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(qiáng)大，而且各種功能都毫不遜于同類軟件，是廣大電子設(shè)計(jì)愛好者難得的一個(gè)工具軟件。Proteus目前支持的單片機(jī)類型有：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(diào)試環(huán)境(如Keil等軟件)。

2 舵機(jī)及其工作原理
2．1 舵機(jī)簡(jiǎn)介
舵機(jī)英文稱Servo，也稱伺服機(jī)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、易于安裝調(diào)試、控制簡(jiǎn)單、大扭力、成本較低等。舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，主要用于各種飛行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其工作原理是：控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)試芯片，從而獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，可以產(chǎn)生周期為20 ms、寬度為1．5 ms的基準(zhǔn)信號(hào)，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(fù)信號(hào)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，即可決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，以使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)可以通過連桿將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為位移，再控制槳葉、油門、舵面等機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，從而達(dá)到改變被控物體姿態(tài)的作用。圖1所示為某型號(hào)舵機(jī)的實(shí)物圖。

實(shí)際應(yīng)用中，很多時(shí)候往往需要同時(shí)使用多個(gè)舵機(jī)才能達(dá)到控制的目的，例如固定翼的模型飛機(jī)至少需要3個(gè)舵機(jī)才能保證其空中姿態(tài)的穩(wěn)定，而機(jī)器人則需要更多舵機(jī)來完成其機(jī)械動(dòng)作和功能。雖然利用FPGA可以輸出多路PWM波形，但是，F(xiàn)PGA管腳多，不易焊接，成本較高，性價(jià)比不高。而利用單片機(jī)定時(shí)器輸出PWM信號(hào)來控制舵機(jī)是個(gè)很好的方法，但是，單片機(jī)的定時(shí)器資源有限，這就需要通過一定的編程技巧，用一個(gè)定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)多路PWM脈沖的輸出，從而一次性控制多個(gè)舵機(jī)動(dòng)作，以達(dá)到節(jié)省單片機(jī)資源之目的。
2．2 舵機(jī)工作原理
標(biāo)準(zhǔn)的舵機(jī)有三條線，分別是電源線、地線和控制信號(hào)線。其中控制信號(hào)線需要輸入PWM信號(hào)，以便利用占空比來控制舵機(jī)的位置。本文的PWM信號(hào)是一種周期為20 ms的脈寬調(diào)制信號(hào)，而舵機(jī)信號(hào)線的輸入脈沖寬度為0．5～2．5ms的PWM信號(hào)時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)角可在0°～180°間變化，輸出轉(zhuǎn)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(jī)輸出轉(zhuǎn)角；t為脈沖寬度，其定義域?yàn)?．5≤t≤2．5。由此可以看出，舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角和脈沖寬度是一種線性關(guān)系。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1 硬件電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)電路可以基于單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，單片機(jī)最小系統(tǒng)通常包括電源、晶振和復(fù)位電路。系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須首先產(chǎn)生基本的PWM周期信號(hào)，即產(chǎn)生20 ms的周期信號(hào)，其次要調(diào)整脈寬，即調(diào)節(jié)單片機(jī)輸出PWM信號(hào)的占空比。單片機(jī)能使PWM信號(hào)的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的變化，因而具有較高的控制精度，單片機(jī)可以通過控制算法將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)輸出到舵機(jī)信號(hào)線上。但由于單片機(jī)系統(tǒng)是數(shù)字系統(tǒng)，其工作方式由程序決定，而控制信號(hào)的變化完全依靠硬件計(jì)數(shù)，所以受外界干擾小，系統(tǒng)可靠程度高。
在用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)之前，要先確定舵機(jī)的功率，然后選擇足夠功率的電源為舵機(jī)供電，而舵機(jī)信號(hào)控制端則只需要直接接在單片機(jī)I／O口上即可。一個(gè)多路舵機(jī)電路的設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

3．2 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)使用的是單片機(jī)的定時(shí)器方式2，方式2又被稱為8位初值自動(dòng)重裝定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，THX被作為常數(shù)緩沖器，當(dāng)TLX計(jì)數(shù)溢出時(shí)，在溢出標(biāo)志TFX置1的同時(shí)，還會(huì)自動(dòng)將THX中的常數(shù)重新裝入TLX中，使TLX從初值開始重新計(jì)數(shù)，這樣就避免了人為軟件重裝初值所帶來的時(shí)間誤差，從而提高了定時(shí)器的計(jì)數(shù)精度，因此，方式2特別適合用做對(duì)精度要求較高的脈沖信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。因?yàn)槠溆?jì)數(shù)器只有8位，故最多能裝載的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為28=256個(gè)，在12 MHz的晶振頻率下，單次最多可計(jì)時(shí)256μs。系統(tǒng)軟件可以基于Keil編寫，proteus可直接調(diào)用Keil編譯生成的．HEX(16進(jìn)制)文件進(jìn)行仿真，當(dāng)Keil程序修改重新編譯后，Proteus不用做任何改動(dòng)，直接運(yùn)行便可看到修改后的程序運(yùn)行效果。
現(xiàn)以四路舵機(jī)控制為例來定義五個(gè)變量count，servo1，servo2，servo3，servo4。變量count用于對(duì)中斷計(jì)數(shù)，servo1～4用于存儲(chǔ)四個(gè)PWM信號(hào)的脈寬值，程序中使用0．05 ms的定時(shí)器周期，定時(shí)器每0．05 ms產(chǎn)生一次中斷，同時(shí)變量count加1，當(dāng)count加到400時(shí)，表示20 ms時(shí)間到，count歸零重新計(jì)數(shù)，在每一次重新計(jì)數(shù)開始時(shí)，單片機(jī)的所有舵機(jī)控制I／O口置高，當(dāng)count加到等于servo1時(shí)，控制舵機(jī)1的I／O口置低，這樣就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周期為20 ms，脈沖寬度等于servo1×0．05 ms的PWM脈沖，其他三路與之類似。servo1～4的值可通過按鍵輸入改變，因定時(shí)器周期為0．05 ms，故PWM可控脈寬步進(jìn)值為0．05 ms，對(duì)應(yīng)被控舵機(jī)的輸出角度步進(jìn)4．5°。如果需要更小的步進(jìn)值，只需改變定時(shí)器周期和幾個(gè)變量的值即可，如果需要更多路的PWM波輸出，也僅需相應(yīng)增加幾個(gè)變量即可；如果需要更多按鍵來控制舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角，最好將按鍵接稱陣列式，這樣比較節(jié)省I／O口。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)需要0．05 ms的計(jì)數(shù)周期時(shí)，應(yīng)將THX和TLX都寫入0xCE。設(shè)4個(gè)舵機(jī)的信號(hào)端口分別為IO1～I(xiàn)O4，其中斷程序流程圖如圖3所示。
系統(tǒng)中的主程序包含定時(shí)器的設(shè)置與使能、按鍵檢測(cè)、變量賦值等，在此不再贅述。

4 系統(tǒng)仿真
在Proteus中繪制好電路，同時(shí)設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，然后運(yùn)行程序，即可直觀地看到程序執(zhí)行結(jié)果，通過按鍵還可改變舵機(jī)的輸出角度。舵機(jī)輸出角度執(zhí)行結(jié)果如圖4所示。

通過系統(tǒng)中連接的示波器可以顯示多路PWM波輸出結(jié)果。其PWM波形如圖5所示，圖中的方格橫向每格代表0．2 ms，縱向每格代表5 V。從示波器仿真結(jié)果來看，輸出的四路PWM波與四個(gè)舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角相對(duì)應(yīng)，其波形都非常好。

5 結(jié)語
本文通過在Proteus中對(duì)電路的設(shè)計(jì)和Keil中對(duì)軟件的編寫，用51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了多路PWM脈沖的輸出，該系統(tǒng)具有硬件電路簡(jiǎn)單、軟件可靠、資源節(jié)省等特點(diǎn)。可用于航模、機(jī)器人等設(shè)計(jì)制作過程中的舵機(jī)控制和輔助系統(tǒng)調(diào)試，也可以用于其他需要多路PWM脈沖的系統(tǒng)。