舵机控制系统设计.docVIP

目 录 0. 前言 1 1. 舵机控制的基本理论 2 2. 方案设计 2 3. 硬件电路的工作原理 3 3.1单片机模块 3 3.2舵机模块 4 4. 软件编程 6 5. 系统调试和结果分析 11 6. 结论及进一步设想 12 参考文献 13 附录1 总电路图 15 附录2 元件清单 15 课设体会 16 朱前利 沈阳航空 摘要：52系列单片机作为主控制元件，通过硬件计时的方法在单片机内部产生舵机的控制信号PWM波，并通过不同的占空比调节实现了对舵机转角的精确控制。 关键词： 0. 前言 图1 舵机的控制要求 1. 舵机控制的基本理论 ?? 也可以用单片机作为舵机的控制单元，使PWM信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而提高舵机的转角精度。单片机完成控制算法，再将计算结果转化为PWM信号输出到舵机，由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。 单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务：首先是产生基本的PWM周期信号，本设计是产生20ms的周期信号；其次是脉宽的调整，即单片机模拟PWM信号的输出，并且调整占空比。 PWM信号的本质是一种占空比可调的方波，所以可以利用单片机产生方波的基本理论来产生PWM波信号。课设任务要求实现对舵机转角的精确控制，所以应当使PWM信号的脉冲宽度达到微妙级的变化。本设计中我们采用单片机内部定时器T0的工作方式2来实现定时功能，采用该方式的优点在于方式2具有自动重装初始值的功能，使得程序运行时间缩短，而且方式2定时一次的时间大约为250us,方便实现PWM信号脉冲宽度的微妙级控制。本设计中PWM信号的周期为20ms，可以通过设置一个计数变量达到要求，对于高低电平之间的转换，通过判断计数变量与设定值之间的大小来控制。 2. 方案 图 舵机控制系统电路的原理框图 3. 硬件电路的工作原理.1单片机模块 由于单片机具有性能稳定、编程灵活、精度较高、价格低廉等特点,用它产生PWM波在实际中得到了广泛的应用。最直接的方法就是用单片机本身所带的PWM口产生波形,但该方法受MCU内部资源的限制,仅能实现2～4PWM波的输出, 本设计的硬件电路主要由单片机构成，单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务：首先是产生基本的PWM 周期信号，本设计是产生20ms 的周期信号；其次是脉宽的调整，即单片机模拟PWM信号的输出，并且调整占空比。基于AT89C51 单片机的PWM 软件实现的重要硬件支撑是该单片机内部的定时器。AT89C52 内实现PWM 的基本过程:首先选定脉冲的频率T，然后根据控制信号的变化范围，这里假设是(0～5V),则可以求出t 时刻通过控制信号V(t)的对应脉冲的正、负脉冲持续时间。这两个时间长度在单片机里是通过给定时器赋相应的初值而得,即定时器获得这样的定时初值后就在机器周期的同步下，从这个初值加1计数,定时器计数满时，产生相应时间长度的溢出中断，再利用这个中断所响应的服务程序去控制单片机某一引脚相应的正、负电平极性的持续时间。如果上述过程连续进行，就可在这个引脚获得宽度随控制信号V(t)大小变化的PWM 方波信号。 利用单片机模块产生PWM信号的仿真电路图如图3所示，其中由单片机的P0口输出PWM信号，所以应当在P0口加入上拉电阻，使电路正常输出。 图3 单片机模块仿真电路图 在产生PWM信号后，应当进行相应的显示，本设计中用示波器观察PWM信号的相应变化，如图4所示. 图4 单片机模块产生PWM信号波形图 3.2舵机模块 舵机是一种位置伺服的驱动器。它接收一定的控制信号,输出一定的角度,适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。在微机电系统和航模中,它是一个基本的输出执行机构。 图5 标准舵机的结构框图 图给出了舵机框图3 条导线,分别是:电源线、地线、控制线。电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源,电压通常介于4～6 V ,5 V。因为舵机的控制信号是一个脉宽调制信号, 所以很方便和数字系统进行接口,只要能产生标准的控制信号的数字设备都可以用来控制舵机, 例如软件记数方式、定时器中断方式、PWM硬件产生方式等。 本设计中，我采用了PWM硬件产生方式。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号,方波脉冲信号的周期为20 ms (即频率为50 Hz) 。当方波的脉冲宽度改变时,舵机转轴的角度发生改变,角度变化与脉冲宽度的变化成正比。某型舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用图5 来表示。 图6 舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系 4. 软件编程 本设计中应用Keil软件进行C语言编程，通过单片机内部执行所编程序达到产生PWM信