基于單片機的舵機控制仿真實驗研究

吳 嘗，邊玉亮

(阜陽師范學院 信息工程學院，安徽 阜陽 236041)

基于單片機的舵機控制仿真實驗研究

吳 嘗，邊玉亮

(阜陽師范學院 信息工程學院，安徽 阜陽 236041)

針對嵌入式系統專業學生，我們設計了基于AT89C52單片機的舵機控制仿真實驗。本實驗選擇舵機作為控制對象，具體闡述了舵機的結構和控制原理、實驗內容和實驗步驟。此實驗選取AT89C52單片機作為主控制器產生PWM信號控制舵機的轉角，使用Proteus仿真軟件對實驗結果進行仿真。通過單片機的舵機控制仿真實驗可以加深學生對單片機定時器編程和舵機控制方法的掌握，增強學生分析和解決問題能力。

單片機；舵機；PWM；Proteus

舵機是一種位置(角度) 伺服的驅動器，有著機電時間常數小、起步轉矩大、線性度好、反應迅捷等特點，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統，例如機器人關節、無人機等。[1]比如：無人飛機的舵面，無人駕駛汽車的方向盤和油門等，都需要由舵機來驅動。[2]在機器人、無人機等運動或執行控制系統器的設計中, 舵機控制效果是系統性能的重要影響因素之一。[3]與此同時，為了有效地解決以往單片機實驗主要依賴于仿真機和單片機開發系統，無法保證人手一機的問題，[4]本文結合單片機和Proteus仿真軟件設計了控制舵機的模擬仿真實驗,使學生進一步掌握舵機的控制原理和單片機與Proteus聯合仿真實驗方法。

1 舵機控制原理和實驗條件

舵機的基本結構主要是由電位器、電機、減速齒輪組和控制電路等組成。控制電路根據接收到的控制信號驅動電機轉動，減速齒輪組實現電機的轉速控制，電位器用于檢測舵機的轉到角度。舵機通常通過接受PWM控制信號，達到控制舵機轉角的目的。

本實驗結合實際應用，選擇舵機的型號為S3010舵機，其技術參數如下：

輸出扭矩：6.0V時6.5±1.3[kg/cm]。

動作速度：6.0V時0.16±0.02[Sec/60度]。

動作方向：脈沖寬度變窄(1520us變化到920us)，順時針轉動；脈沖寬度變寬(1520us變化到2120us)，逆時針的轉動。

動作角度：(順時針)60±10[度]，(逆時針)60±10[度]。

假設舵機處在中心位置時，脈沖信號高電平時間為1520us，角度為0°，逆時針角度為正。根據舵機技術參數和控制原理可知，該型號舵機的控制信號是任意周期下，時鐘信號高電平時間從920us到1520us，舵機的轉角從-60°到0°，高電平時間從1520us到2120us，舵機的轉角從0°到60°。

本次實驗可以在任意一臺安裝好Keil uVision3軟件和Proteus仿真軟件的電腦上進行。

2 實驗的目標和內容

(1)了解并掌握常用舵機的結構原理和控制方法。舵機控制信號的要求如下：PWM信號時鐘周期為20ms，時鐘高電平長度為0.92ms至2.12ms，舵機轉角范圍能夠達到-60°到60°。

(2)掌握AT89C52單片機的定時器功能和使用Keil uVision3軟件的編程方法。使用AT89C52單片機內部的定時器0和定時器1中斷功能產生控制舵機轉角的PWM信號。使用Keil uVision3編寫相應的測試程序，編譯調試無誤后生成 .hex文件為仿真實驗做準備。

(3)熟悉Proteus仿真軟件的設計流程和使用方法。使用Proteus仿真軟件繪制仿真電路原理圖，將程序下載到單片機中對舵機的控制進行仿真，得出實驗結果并記錄。

3 實驗設計思路及電路圖

3.1 程序流程圖

程序的設計思路是使用單片機內部的兩個定時器中斷共同產生PWM信號，通過單片機的端口輸出PWM信號控制舵機的轉角。產生PWM控制信號的程序流程如圖1所示。

圖1 程序流程圖

其中，生成的PWM信號從P1_2端口輸出，定時器0中斷用于產生周期為20ms的時鐘信號，定時器1中斷用于控制高電平的時間，通過改變定時器的初值，就能PWM信號的脈沖寬度，從而達到控制舵機轉角的目的。

3.2 中斷子程序

根據仿真實驗要求編寫的兩個中斷子程序如下：

void Timer0Interrupt(void) interrupt 1

{

//定時器0產生20ms周期信號

TH0 = 0x0B1;

TL0 = 0x0E0;

ET1 = 1;

TR1 = 1;

P1_2= 1;

}

void Timer1Interrupt(void) interrupt 3

{

//定時器1產生高電平，此時，初始值TH1 = 0xF8、TL1 = 0xE4，高電平時間為1.82ms

//舵機的理論轉角為30°

P1_2=0;

TH1 = 0xF8;

TL1 = 0xE4;

ET1 = 0;

TR1 = 0;

}

3.3 舵機參數設置

根據舵機的技術參數對Proteus中的舵機元件的參數進行設置如圖2所示。

圖2 舵機參數設置

3.4 仿真電路原理圖

根據實驗要求在Proteus中繪制出相應的電路原理圖如圖3所示(注 電路僅考慮控制原理，沒有考慮舵機的驅動問題)。

圖3 仿真電路原理圖

4 實驗步驟及結果分析

(1)使用Keil uVision3建立工程，根據程序設計思路使用C語言編寫相應的控制程序，編譯、調式無誤后生成可執行文件。

(2)根據已知條件和設計要求，選定電路方案，畫出設計電路原理圖，設置元器件的參數，將程序導入到單片機中，運行仿真，記錄實驗數據。

(3)調整程序初始參數，更改脈沖信號高電平時間，重復步驟1、2，觀察記錄實驗結果。將實驗結果整理統計如圖4所示。

圖4 仿真實驗結果對比

根據上述實驗數據可知，仿真結果與理論值相差僅0.3°，完全能夠滿足實驗要求。根據對實驗的內容和設計分析可知，誤差的來源主要是與使用定時器中斷產生的PWM信號有關。本文使用C語言編寫的中斷程序進行延遲以滿足高電平時間要求，但是，中斷子程序的調用以及中斷返回都會使理論上的延時時間變大。后期可以通過對定時器初始值的修訂來提高舵機的控制精度。

5 結論

本文通過對舵機的結構和控制原理進行簡單介紹，在此基礎上，設計了控制舵機轉角的單片機程序，并在Proteus仿真軟件中設計相應的電路進行實際的仿真實驗，達到了預期的實驗效果。對實驗結果的分析可知，該實驗可以通過進一步優化控制程序結構，調整定時器初始值，達到提高控制精度的目的。通過本次實驗的學習，可以加深學生對單片機定時器編程和舵機控制方法的掌握，增強學生分析和解決問題能力。

[1] 蔣辰飛,劉子龍,胡少凱,等.基于 AVR單片機的多舵機控制精度的研究[J].信息技術，2014(3):35-37.

[2] 霍麗霞,羅衛兵,遲曉鵬.多通道舵機控制器設計[J].現代電子技術,2010(21):73-75.

[3] 成光華,毛建國.四足機器人中各關節的控制[J].電子元器件應用,2008(1): 44-47.

[4] 貢雪梅,肖川.基于單片機函數信號發生器的Proteus仿真設計[J].西安航空技術高等專科學校學報,2013(31):53-55.

責任編輯：力 草

Research on Simulation Experiment of Steering Gear Control Based on Single Chip Microcomputer

WU Chang, BIAN Yuliang

This experiment is for embedded systems specialized students. We designed the simulation experiment of steering gear control based on AT89C52 single chip microcomputer. This experiment chosses steering gear as control object, elaborates on the steering gear’s structure and control principle, experimental content and experimental steps. This article selects AT89C52 single chip microcomputer as the main controller to generate the PWM signal to control the rotation of the steering gear, and uses Proteus simulation software for the simulation experiment results. The experiment can deepen students’ grasp of the microcontroller timer programming and servo control method,and strengthen students’ abilities of analyzing and solving problems.

single chip microcomputer; steering gear; PWM; Proteus

2016-11-28

吳嘗(1972—)，男，安徽望江人，實驗師，碩士，研究方向：大學物理、單片機應用、納米材料應用。

TP368.2

A

1671-8275(2017)01-0136-03