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

摘要：PWM脈寬信號調(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，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脈沖的實現(xiàn)方法。最后以一個典型的應(yīng)用實例驗證了設(shè)計的可行性與可靠性。實驗證明，本系統(tǒng)可在單片機(jī)定時器資源有限的情況下同時對多個舵機(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，有著價格低廉、編程靈活、體積小、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點。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，就會給單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)帶來一定的麻煩。而如果設(shè)計初期就將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。本文以一個典型的單片機(jī)應(yīng)用實例為基礎(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)計與仿真過程。

1 Proteus軟件簡介
Proteus軟件是英國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、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)計與分析，還能夠?qū)ξ⑻幚砥鬟M(jìn)行設(shè)計和仿真，并且功能齊全，界面多彩，是近年來備受電子設(shè)計愛好者青睞的一款新型電子線路設(shè)計與仿真軟件。它的電路仿真功能可以和Multisim相媲美，而獨特的單片機(jī)仿真功能是Multisim以及其他任何仿真軟件都不具備的，同時，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)計愛好者難得的一個工具軟件。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)簡介
舵機(jī)英文稱Servo，也稱伺服機(jī)，其特點是結(jié)構(gòu)緊湊、易于安裝調(diào)試、控制簡單、大扭力、成本較低等。舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動器，主要用于各種飛行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其工作原理是：控制信號由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)試芯片，從而獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準(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，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)信號輸出到電機(jī)驅(qū)動芯片，即可決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，以使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。舵機(jī)可以通過連桿將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為位移，再控制槳葉、油門、舵面等機(jī)構(gòu)的動作，從而達(dá)到改變被控物體姿態(tài)的作用。圖1所示為某型號舵機(jī)的實物圖。

實際應(yīng)用中，很多時候往往需要同時使用多個舵機(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，性價比不高。而利用單片機(jī)定時器輸出PWM信號來控制舵機(jī)是個很好的方法，但是，單片機(jī)的定時器資源有限，這就需要通過一定的編程技巧，用一個定時器來實現(xiàn)多路PWM脈沖的輸出，從而一次性控制多個舵機(jī)動作，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、地線和控制信號線。其中控制信號線需要輸入PWM信號，以便利用占空比來控制舵機(jī)的位置。本文的PWM信號是一種周期為20 ms的脈寬調(diào)制信號，而舵機(jī)信號線的輸入脈沖寬度為0．5～2．5ms的PWM信號時，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，其定義域為0．5≤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。