AT89C2051多路舵機控制電路詳解

2020-12-17 電子產品世界

　　舵機是一種位置伺服的驅動器。它接收一定的控制信號，輸出一定的角度，適用於那些需要角度不斷變化並可以保持的控制系統。在微機電系統和航模中，它是一個基本的輸出執行機構。以FUTABA-S3003型舵機為例，圖1是FUFABA-S3003型舵機的內部電路。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/282107.htm

　　舵機的工作原理是：PWM信號由接收通道進入信號解調電路BA66881。的12腳進行解調，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。該輸出送人電機驅動集成電路BA6686，以驅動電機正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯減速齒輪帶動電位器R。，旋轉，直到電壓差為O，電機停止轉動。舵機的控制信號是PWM信號，利用佔空比的變化改變舵機的位置。

　　

 

　　舵機的控制方法

　　電源線和地線用於提供舵機內部的直流電機和控制線路所需的能源.電壓通常介於4～6V，一般取5V。注意，給舵機供電電源應能提供足夠的功率。控制線的輸入是一個寬度可調的周期性方波脈衝信號，方波脈衝信號的周期為20 ms(即頻率為50 Hz)。當方波的脈衝寬度改變時，舵機轉軸的角度發生改變，角度變化與脈衝寬度的變化成正比。某型舵機的輸出軸轉角與輸入信號的脈衝寬度之間的關係可用圍 3來表示。

　　

 

　　舵機控制器硬體電路設計

　　從上述舵機轉角的控制方法可看出，舵機的控制信號實質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生。採用FPGA成本較高，用模擬電路來實現則電路較複雜，不適合作多路輸出。一般採用單片機作舵機的控制器。目前採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：一次定時實現高電平定時Th;一次定時實現低電平定時T1。Th、T1的時間值隨脈衝寬度的變換而變化，但，Th+T1=20ms。該方法的優點是，PWM信號完全由單片機內部定時器的中斷來實現，不需要添加外圍硬體。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;不能實現多路輸出。也可以採用單片機+8253計數器的實現方案。該方案由單片機產生計數脈衝(或外部電路產生計數脈衝)提供給8253進行計數，由單片機給出8253的計數比較值來改變輸出脈寬。該方案的優點是可以實現多路輸出，軟體設計較簡單;缺點是要添加l片8253計數器，增加了硬體成本。本文在綜合上述兩個單片機舵機控制方案基礎上，提出了一個新的設計方案，如圖4所示。

　　

 

　　該方案的舵機控制器以AT89C2051($0.5940)單片機為核心，555構成的振蕩器作為定時基準，單片機通過對555振蕩器產生的脈衝信號進行計數來產生PWM信號。該控制器中單片機可以產生8個通道的PWM信號，分別由AT89C2051的P1.0～Pl.7(12～19引腳)埠輸出。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過反相器進行反相。方波信號經過光耦傳輸後，前沿和後沿會發生畸變，因此反相器採用CD40106($0.1125)施密特反相器對光耦傳輸過來的信號進行整形，產生標準的PWM方波信號。筆者在實驗過程中發現，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生較大的幹擾。因此，舵機與單片機控制器採用兩個電源供電，兩者不共地，通過光耦來隔離，並且給舵機供電的電源最好採用輸出功率較大的開關電源。該舵機控制器佔用單片機的個SCI串口。串口用於接收上位機傳送過來的控制命令，以調節每一個通道輸出信號的脈衝寬度。MAX232($2.0686)為電平轉換器，將上位機的RS232($780.5000)電平轉換成TTL電平。

　　實現多路PWM信號的原理

　　

 

　　在模擬電路中，PWM脈衝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，如圖5所示。假定單片機程序中設置一整型變量SawVal，其值變化範圍為O～N。555振蕩電路產生的外部計數時鐘信號輸入到AT89C2051的INTO腳。每當在外部計數時鐘脈衝的下降沿，單片機產生外部中斷，執行外部中斷INT0的中斷服務程序。每產生一次外部中斷，對SawVal執行一次加1操作，若SawVal已達到最大值N，則對SawVal清O。SawVal值的變化規律相當於鋸齒波，如圖5所示。若在單片機程序中設置另一整型變量DutyVal，其值的變化範圍為 O～N。每當在SawVal清0時，DulyVal從上位機發送的控制命令中讀入脈衝寬度係數值，例如為H(0≤H≤N)。若 DutyVal≥SawVal，則對應埠輸出高電平;若DutyVal《Sawval，則對應埠輸出低電平。從圖5中可看出，若改變 DutyVal的值，則對應埠輸出脈衝的寬度發生變化，但輸出脈衝的頻率不變，此即為PWM波形。
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