【文章內(nèi)容簡介】 anti allergic ability, high output power, good stability, timeliness strong, has the advantages of low noise. We used in the design of the single chip microputer to power steering gear, the STC89C51 microcontroller as the core controller, single chip microputer is by changing the output PWM signal duty ratio control steering Angle and speed, the steering gear can be rotated to turn positive reverse rotation, and other functions. Use of proteus simulation software debugging, in accordance with the principle diagram of welding, download the hex file to the microcontroller to drive the steering gear to plete the corresponding action. Text will focus on the hardware selection, working principle, hardware design, simulation and implementation effect. . Keywords: Steering gear。 STC89C51。 single chip microputer。 1 引言 舵機又稱微伺服電機，其主要組成部分為伺服電機，包含伺服電機控制電路以及減速齒輪組。早期在模型上使用 最多，主要用于控制模型的舵面，所以俗稱舵機。伺服電機 是指在伺服系統(tǒng)中控制 機械元件 運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置 。 舵機是機電系統(tǒng)的重要執(zhí)行機構(gòu)，其早期是應(yīng)用在航模中控制方向的，在航空模型中，飛行器的飛行姿態(tài)是通過調(diào)整發(fā)動機和各個控制多面來實現(xiàn)的，后來舵機的體積小、重量輕、扭矩大、精度高等優(yōu)點，舵機在航模、船模、車模、機器人等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在航天方面， 導(dǎo)彈姿態(tài)變換的俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)運動都是 靠舵機相互配合完成的 ；在機器人領(lǐng)域，舵機很適合做機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動；在智能車中，舵機主要用于轉(zhuǎn)彎控制，同時也可用于傳感器的搖頭控制、剎車控制。 、現(xiàn)狀研究 隨著社會生產(chǎn)力的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高 , 舵機技術(shù)也必將得到進一步的發(fā)展。 傳統(tǒng)的舵機為模擬舵機， 主要由馬達、減速齒輪、控制電路等組成， 但模擬舵機對于發(fā)射機的細小動作，反應(yīng)非常遲鈍，或者根本就沒有反應(yīng)。 而且容易受干擾。 在模擬舵機的基礎(chǔ)上， 數(shù)字舵機的控制電路比模擬舵機的多了微處理器和晶振。 這使得 數(shù)字舵機在以下兩點與模擬舵機不同： 的輸入信號的方式 ； ，減少無反應(yīng)區(qū) (對小量信號無反應(yīng)的控制區(qū)域 )，增加分辨率以及產(chǎn)生更大的固定力量。 數(shù)字舵機能夠 適應(yīng)不同的功能要求，并優(yōu)化性能 ， “ 無反應(yīng)區(qū) ” 變?。环磻?yīng)變得更快；加速和減速時也更迅速、更柔和； 能夠 提供更高的精度和更好的固定力量。 總的來看，舵機的發(fā)展可以歸納為以下三個方面 :從性能上看 , 向高精度、高效率、高可靠性、高適應(yīng)性方向發(fā)展 。 從功能上看 , 向小型化、輕型化、多功 能方向發(fā)展 。 從層次上看 , 向系統(tǒng)化、復(fù)合集成化方向發(fā)展。 以現(xiàn)代控制理論為控制規(guī)律 , 實現(xiàn)全數(shù)字 化、智能化、綜合化是未來舵機發(fā)展的總趨勢。 、研究內(nèi)容與設(shè)計任務(wù) 一、 研究內(nèi)容 本設(shè)計重點研究以下幾個方面： （ 1） 舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。其控制信號是 PWM 信號，利用占空比的變化改變舵機的位置。其工作原理與工作方式，這是我們研究的主要內(nèi)容。 （ 2） 單片機又稱為微控制器，它是一種面向控制的大規(guī)模集成電路芯片。我們主要通過單片機輸出信號來控制舵機進行工作。所以很好地學(xué)會使用單片機是不可或缺的。 （ 3） 無線電 遙控是一種無線、非接觸控制技術(shù)，具有抗干擾能力強，信息傳輸可靠，功耗 低，成本低 的通信方式。我們采用無線電遙控來控制舵機，需要了解其編碼、解碼的原理來實現(xiàn)收發(fā)信息。 （ 4） 串口 是 計算機 上一種非常通用的設(shè)備 通信 協(xié)議 。 我們采用串口通信來與計算機上位機進行通信。需要研究串口通信的原理與執(zhí)行方式。 二、 設(shè)計任務(wù) 通過對以上各項目的研究，本設(shè)計使用 S1123 舵機， 其控制信號是 PWM 信號，利用占空比的變化改變舵機的位置。 主要工作如下： 1. 舵機轉(zhuǎn)動角度范圍： 0度 — 180 度。 2. 轉(zhuǎn)動方式：左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)。 3. 無線電遙控控制舵機轉(zhuǎn)動方式。 4. 舵機通過串口模塊與單片機機實現(xiàn)通信。 第 2 章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 、系統(tǒng)概述 系統(tǒng)主要包括單片機控制系統(tǒng)，電機驅(qū)動模塊，舵機 模塊以及無線遙控模塊；通過各個模塊的協(xié)同配合來完成整個系統(tǒng)的運行。設(shè)計的系統(tǒng)概況：通過無線遙控發(fā)射發(fā)出指令，當小車的接受模塊接收指令傳達給單片機系統(tǒng)，再驅(qū)動電機模塊和舵機模塊協(xié)調(diào)工作，達到控制小車的目的。仿真圖如下 1— 1： 圖 1— 1 仿真圖 、功能說明 、 PWM信號輸出 使用單片機系統(tǒng)實現(xiàn)對舵機輸出轉(zhuǎn)角的控制，首先完成兩個任務(wù)：一是產(chǎn)生基本的 PWM 周期信號，本設(shè)計是產(chǎn)生 20ms 的周期信號；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機模擬 PWM 信號的輸 出，并且調(diào)整占空比。 當系統(tǒng)中需要實現(xiàn)對一個舵機的控制，采用的控制方式是改變單片機的一個定時器中斷的初值，將 20ms 分為兩次中斷執(zhí)行，一次短定時中斷和一次長定時中斷。短中斷輸出高電平，長中斷輸出低電平。這樣既節(jié)省了硬件電路，也減少了軟件開銷，控制系統(tǒng)工作效率和控制精度都很高。 、器件與模塊選型 、主控芯片方案選擇 51系列單片機相對于其他單片機（ PIC、 AVR 等），它從內(nèi)部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，稱作位處理器。其次具有乘法和除法指令，這給編程也帶來了便利。而且其 I/O 腳的設(shè)置和 使用非常簡單，當引腳作輸入腳使用時，只須將該腳設(shè)置為高電平（復(fù)位時，各 I/O 口均置高電平）。另外一個重要原因是使用該芯片的人很多 ,網(wǎng)上的資料也很豐富，方便我們學(xué)習(xí)與研究。 因此選擇 51 系列作為系統(tǒng)控制芯片 AT89C51 有 128byte RAM， 4K ROM。它有 T0、 T1 兩個 16 位定時器。 、晶振方案選擇 無源晶振 該晶振在計算時鐘、串口通信波特率等運算中能夠得到一個整數(shù)，使通信波特率更精確、串口通信的可靠性更高、計算的結(jié)果更加精確與方便。例如波特率為 9600BPS，振動頻率為 的單片機每個機器周期為（ 12/）us。，每位間隔機器周期個數(shù)為 (1/9600)/(12/ * 10) = 96（即個數(shù) =波特率位 /機器周期） ,結(jié)果正好為整數(shù)。 、 舵機方案選擇 數(shù)字舵機 數(shù)字舵機電子電路中帶 MCU 微控制器，其內(nèi)部直流伺服電機控制芯片 處理接收機的輸入信號的方式。然后控制舵機馬達初始電流的方式，減少無反應(yīng)區(qū) (對小量信號無反應(yīng)的控制區(qū)域 )，增加分辨率以及產(chǎn)生更大的固定力量 。有著反應(yīng)速度更快，無反應(yīng)區(qū)范圍小，定位精度高，抗干擾能力強等優(yōu)勢。 但價格昂貴，需要消耗更多的動力 。 、無線控制模塊方案選擇 無線電遙控 、最終選型方案 單片機： stc89c51 晶振： 無源晶振 舵機：數(shù)字舵機 舵機的結(jié)構(gòu) 舵機簡單的說就是集成了直流電機、電機控制器和減速器等，并封裝在一個便于安裝的外殼里的伺服單元。能夠利用簡單的輸入信號比較精確的轉(zhuǎn)動給定角度的電機系統(tǒng)。 舵機安裝了一個電位器（或其它角度傳感器）檢測輸出軸轉(zhuǎn)動角度，控制板根據(jù)電位器的信息能比較精確的控制和保持輸出軸的角度。這樣的直流電機控制方式叫閉環(huán)控制 ，所以舵機更準確的說是伺服馬達，英文 servo。 舵機的主體結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要有幾個部分：外殼、減速齒輪組、電機、電位器、控制電路。簡單的工作原理是控制電路接收信號源的控制信號，并驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動；齒輪組將電機的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機的輸出扭矩放大響應(yīng)倍數(shù)，然后輸出；電位器和齒輪組的末級一起轉(zhuǎn)動，測量舵機軸轉(zhuǎn)動角度；電路板檢測并根據(jù)電位器判斷舵機轉(zhuǎn)動角度，然后控制舵機轉(zhuǎn)動到目標角度或保持在目標角度。 圖 28舵機結(jié)構(gòu)圖 技術(shù)規(guī)格 當今使用的舵機有模擬舵機和數(shù)字舵機之分，不過數(shù)字舵機還是相對較少。下面的技術(shù)規(guī)格同時適用與兩種舵機。 舵機的規(guī)格主要有幾個方面：轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電壓、尺寸、重量 、材料等。我們在做舵機的選型時要對以上幾個方面進行綜合考慮。 (1)、轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速由舵機無負載的情況下轉(zhuǎn)過 60 176。角所需時間來衡量，常見舵機的速度一般在 176。 ~176。之間。 圖 29舵機轉(zhuǎn)速 (2)、轉(zhuǎn)矩 舵機扭矩的單位是 KG CM，這是一個扭矩單位?？梢岳斫鉃樵诙姹P上距舵機軸中心水平距離 1CM 處，舵機能夠帶動的物體重量。 圖 210舵機轉(zhuǎn)矩 (3)、電壓 速度、轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù) 和測試電壓有關(guān)，在 和 6V 兩種測試電壓下這兩個參數(shù)有比較大的差別。如 Futaba S9001 在 時扭力為 、速度為 秒，在 時扭力為 、速度為 秒。若無特別注明， JR 的舵機都是以 為測試電壓， Futaba 則是以 作為測試電壓。 舵機的工 作電壓對性能有重大的影響，舵機推薦的電壓一般都是 或 6V。較高的電壓可以提高電機的速度和扭矩。 (4)、尺寸、重量和材質(zhì) 舵機的功率（速度轉(zhuǎn)矩）和舵 機的尺寸比值可以理解為該舵機的功率密度，一般同樣品牌的舵機，功率密度大的價格高。 塑料齒輪的舵機在超出極限負荷的條件下使用可能會崩齒，金屬齒輪的舵機則可能會電機過熱損毀或外殼變形。所以材質(zhì)的選擇并沒有絕對的傾向，關(guān)鍵是將舵機使用在設(shè)計規(guī)格之內(nèi)。 金屬齒輪箱在長時間過載下也不會損毀，最后確是電機過熱損壞或外殼變形，而這樣的損壞是致命的，不可修復(fù)的。塑料出軸的舵機如果使用金屬舵盤是很危險的，舵盤和舵機軸在相互扭轉(zhuǎn)過程中，金屬舵盤不會磨損，舵機軸會在一段時間后變得光禿，導(dǎo)致舵機完全不能使用。 綜上，選擇舵機需要 在考慮所需扭矩和速度，并確定使用電壓的條件下，選擇有 150%左右甚至更大扭矩富余的舵機。 工作原理 以 FUTABAS3003 型舵機為例， 下圖 是 FUFABAS3003 型舵機的內(nèi)部電路。 圖 211 FUTABAS3003內(nèi)部電路圖 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)。當電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速 齒輪帶動電位器旋轉(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。 舵機的控制方法 標準的舵機有 3條導(dǎo)線，分別是：電源線、地線、控制線，如 下圖 所示。 圖 38 舵機模塊 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?？刂凭€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 下圖 來表示。 圖 213 舵機輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號脈沖寬度的關(guān)系 舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng) 其工作原理是：控制信號由接收機的通道進入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓 它內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為 20ms，寬度為 的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出 最后，電壓差的正負輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn) 當電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián) 減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為 0，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 一般舵機的控制要 求如圖 1所示 圖 1 舵機的控制要求 單片機實現(xiàn)舵機轉(zhuǎn)角控制 可以使用 FPGA、模擬電路、單片機來產(chǎn)生舵機的控制信號，但 FPGA 成本高且電路復(fù)雜 對于脈寬調(diào)制信號的脈寬變換，常用的一種方法是采用調(diào)制信號獲取有源濾波后的直流電壓，但是需要 50Hz(周期是 20ms)的信號，這對運放器件的選擇有較高要求，從電路體積和功耗考慮也不易采用 5mV 以上的控制電壓的變化就會引起舵機的抖動，對于機載 的測控系統(tǒng)而言，電源和其他器件的信號噪聲都遠大于 5mV，所以濾波電路的精度難以達到舵機的控制精度要求 也可以用單片機作為舵機的控制單元，使 PWM信號的脈沖寬度實現(xiàn)微秒級的變化，從而提高舵機的轉(zhuǎn)角精度 單片機 完成控制算法，再將計算結(jié)果轉(zhuǎn)化為 PWM 信號輸出到舵機，由于單片機系統(tǒng)是一個數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號的變化完全依靠硬件計數(shù)，所以受外界干擾較小，整個系統(tǒng)工作可靠 單片機系統(tǒng)實現(xiàn)對舵機輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須首先完成兩個任務(wù)：首先是產(chǎn)生基本的 PWM 周期信號，本設(shè)計是產(chǎn)生 20ms 的周期信號；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機模擬 PWM 信號的輸出，并且調(diào)整占空比 當系統(tǒng)中只需要實現(xiàn)一個舵機的控制，采用的控制方式是改變單片機的一個定時器中斷的初值，將 20ms 分為兩次中斷執(zhí)行，一次短定時中斷和一次長定時中斷 這樣既節(jié)省了硬件電路，也減少了軟件開銷，控制系統(tǒng)工作效率和控制精度都很高 具體的設(shè)計過程： 例如想讓舵機轉(zhuǎn)向左極限的角度，它的正脈沖為 2ms，則負脈沖為20ms2ms=18ms，所以開始時在控制口發(fā)送高電平，然后設(shè)置定時器在 2ms 后發(fā)生中斷，中斷發(fā)生后，在中斷程序里將控制口改為低電平，并將中斷時間改為18ms，再過 18ms 進入下一次定時中斷，再將控制口改為高電平，并將定時器初值改為 2ms，等待下次中斷到來，如此往復(fù)實現(xiàn) PWM 信 號輸出到舵機 用修改定 時器中斷初值的方法巧妙形成了脈沖信號，調(diào)整時間段的寬度便可使伺服機靈活運動 為保證軟件在定時中斷里采集其他信號，并且使發(fā)生 PWM 信號的程序不影響中斷程序的運行 (如果這些程序所占用時間過 長，有可能會發(fā)生中斷程序還未結(jié)束，下次中斷又到來的后果 )，所以需要將采集信號的函數(shù)放在長定時中斷過程中執(zhí)行，也就是說每經(jīng)過兩次中斷執(zhí)行一次這些程序，執(zhí)行的周期還是 20ms 軟件流程如圖 2 所示 圖 2 產(chǎn)生 PWM 信號的軟件流程 如果系統(tǒng)中需要控制幾個舵機的準確轉(zhuǎn)動，可以用單片機和計數(shù)器進行脈沖計數(shù)產(chǎn)生 PWM 信號 脈沖計數(shù)可以利用 51單片機的內(nèi)部計數(shù)器來實現(xiàn)，具體代碼如下 : 當系統(tǒng)的主要工作任務(wù)就是控制多舵機的工作，并且使用的舵機工作周期均為20ms 時，要求硬件產(chǎn)生的多路 PWM 波的周期也相同 使用 51 單片機的內(nèi)部定時器產(chǎn)生脈沖計數(shù)，一般工作正脈沖寬度小于周期的 1/8，這樣可以在 1個周期內(nèi)分時啟動各路 PWM 波的上升沿，再利用定時器中斷 T0確定各路 PWM 波的輸出寬度，定時器中斷 T1 控制 20ms 的基準時間 第 1 次定時器中斷 T0按 20ms 的 1/8 設(shè)置初值，并設(shè)置輸出 I/O 口，第 1次 T0 定時中斷響應(yīng)后，將當前輸出 I/O口對應(yīng)的引腳輸出置高電平，設(shè)置該路輸出正脈沖寬度，并啟動第 2次定時器中斷，輸出 I/O口指向下一個輸出口 第2次定時器定時時間結(jié)束后，將當前輸出引腳置低電平，設(shè)置此中斷周期為 20ms的 1/8 減去正脈沖的時間，此路 PWM 信號在該周期中輸出完畢，往復(fù)輸出 在每次循環(huán)的第 16次 (28=16) 中斷實行關(guān)定時中斷 T0的操作， 最后就可以實現(xiàn)8路舵機控制信號的輸出 也可以采用外部計數(shù)器進行多路舵機的控制，但是因為常見的 825 8254芯片都只有 3 個計數(shù)器，所以當系統(tǒng)需要產(chǎn)生多路 PWM 信號時，使用上述方法可以減少電路，降低成本，也可以達到較高的精度 調(diào)試時注意到由于程序中脈沖寬度的調(diào)整是靠調(diào)整定時器的初值，中斷程序也被分成了 8 個狀態(tài)周期，并且需要嚴格的周期循環(huán)，而且運行其他中斷程序代碼的時間需要嚴格把握 在實際應(yīng)用中，采用 51 單片機簡單方便地實現(xiàn)了舵機控制需要的 PWM信號 對機器人舵機控制的測試表明，舵機控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定， PWM占空比 (～ 的正脈沖寬度 )和舵機的轉(zhuǎn)角 (90176。 ～ 90176。) 線性度較好