基于Proteus单片机仿真的舵机控制设计

2013-12-14 07:40:00王自珍殳国华

电气自动化 2013年4期

王自珍，殳国华

(上海交通大学电气工程系，上海 200240)

0 引言

舵机也称伺服电机，其特点是结构紧凑、易安装调试、控制简单、大扭力、成本较低等，是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并能够保持的控制系统，广泛应用于电气自动化工业控制系统特别是机器人机电控制系统中，作为微机电系统和航模基本的输出执行机构。舵机的主要性能取决于最大力矩和工作速度(一般是以秒/60度为单位)，而且简单的控制和输出使得单片机系统很容易与之接口。运用Proteus软件结合Keil开发工具对设计进行联合实时仿真调试，不但可以减少实验过程损耗，并能尽快排查系统的软硬件错误提高设计效率[1－3]。

1 系统设计

系统以AT89C52单片机为主控制芯片实现对舵机输出转角的控制，产生周期为20 ms的PWM控制信号，设置两个按键进行角度从0°到180°步进为45°的可增可减的角度调节，并且通过LM032L液晶显示模块进行舵机角度显示。

单片机作为舵机的控制部分，能使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技术，所以受外界干扰小，整个系统工作可靠。系统运用Proteus软件进行仿真调试。系统结构框图如图1。

2 系统硬件电路设计

2.1 舵机

标准的舵机有三条引线，分别为电源线VCC、地线GND和控制信号线，如图2所示。

舵机的内部有一个基准电路，产生周期为20 ms、宽度为1.5 ms的基准信号，并将获得的直流偏置电压和电位器的电压比较，获得电压输出。最后，将电压差的正、负输出到电机芯片决定电机的正、反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使电压差为0，电机停止转动。舵机的控制信号也是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置[4－7]。

2.2 主控电路

系统选用 AT89C52单片机作为主控芯片，AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8 K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储技术制造，与工艺80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位 CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提高灵活、超有效的解决方案。

2.3 角度设定和液晶显示

本实验利用AT89S52控制单个舵机，开始时舵机角度自转为0°，通过实现两个独立按键实现对舵机角度在 0°、45°、90°、135°、180°五种角度上的加减，并在20×2的LM032L液晶显示模块上显示舵机转角角度。

LM032L液晶显示模块集成LCD显示屏、背景光源、线路板和驱动集成电路等部件，引脚可与单片机通用I/O口，使用十分方便。

2.4 Proteus软件仿真电路

Proteus ISIS是目前最好的模拟单片机外围器件的工具可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU及其外围电路。将系统在仿真软件中搭建，如图3所示。单片机P3.0为PWM信号输出端接软件自带的虚拟示波器便于观察 PWM信号，按键分别接P3.6和P3.7，LM032L经上拉电阻接单片机通用I/O口。

3 系统的软件设计

单片机控制单个舵机比较简单，利用一个定时器即可。假设仅控制舵机5个角度转动，其控制思路如下:只利用一个定时器T0，定时时间为0.5 ms;定义一个角度标识，数值可以为 1，2，3，4，5，实 0.5，1，1.5，2，2.5 ms高电平的输出;再定义一个变量，数值最大为40，实现周期为20 ms。每次进入定时中断，判断此时的角度标识，进行相应的操作。比如此时为5，则进入前5次中断期间，信号输出为高电平，即2.5 ms的高电平;剩下的35次中断期间，信号输出为低电平，即17.5 ms的低电平。这样总的时间是20 ms，为一个周期。图4为舵机输出转角与输入信号脉冲宽度的关系，其脉冲宽度在0.5到2.5 ms变化时，舵机输出轴转角在 0°到 180°变化[8－9]。

利用Proteus与Keil软件对系统进行软硬件联合仿真调试。Keil软件是一个支持汇编语言和C语言等高级语言的软件开发平台，本设计的系统程序在此平台上进行开发编译，并与Proteus结合对系统实时仿真。实验程序流程图如图5所示。