摘要：PWM脈寬信號調制是現(xiàn)代電子行業(yè)中使用較為廣泛的一種脈沖信號，其典型應用就是舵機控制。以Proteus和Keil軟件為基礎，介紹了在Proteus環(huán)境下利用51單片機產生多路PWM脈沖的實現(xiàn)方法。最后以一個典型的應用實例驗證了設計的可行性與可靠性。實驗證明，本系統(tǒng)可在單片機定時器資源有限的情況下同時對多個舵機的輸出轉角進行控制。
關鍵詞：PWM；舵機控制；Proteus；Keil；單片機
0 引言
單片機是現(xiàn)代儀器儀表、家用電器、工業(yè)儀器等領域應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、可擴展性強等優(yōu)點。單片機功能的飛速發(fā)展，其應用范圍日益廣泛，小到玩具，大到機器人，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。但是在單片機系統(tǒng)的開發(fā)過程中，如果先制作好電路板，再反復編程調試，就會給單片機系統(tǒng)開發(fā)帶來一定的麻煩。而如果設計初期就將Proteus軟件作為單片機系統(tǒng)的開發(fā)調試仿真工具，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應用實例為基礎，使用Proteus和Keil軟件作為開發(fā)工具，介紹了單片機系統(tǒng)初期開發(fā)的設計與仿真過程。
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用。Proteus軟件功能強大，它集電路設計、制版及仿真等多功能于一身，不僅能夠對電工、電子技術學科涉及的電路進行設計與分析，還能夠對微處理器進行設計和仿真，并且功能齊全，界面多彩，是近年來備受電子設計愛好者青睞的一款新型電子線路設計與仿真軟件。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，它的功能不但強大，而且各種功能都毫不遜于同類軟件，是廣大電子設計愛好者難得的一個工具軟件。Proteus目前支持的單片機類型有：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試環(huán)境(如Keil等軟件)。
2 舵機及其工作原理
2．1 舵機簡介
舵機英文稱Servo，也稱伺服機，其特點是結構緊湊、易于安裝調試、控制簡單、大扭力、成本較低等。舵機是一種位置伺服的驅動器，主要用于各種飛行器的執(zhí)行機構。其工作原理是：控制信號由接收機的通道進入信號調試芯片，從而獲得直流偏置電壓。它內部有一個基準電路，可以產生周期為20 ms、寬度為1．5 ms的基準信號，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，電壓差的正負信號輸出到電機驅動芯片，即可決定電機的正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉，以使得電壓差為0，電機停止轉動。舵機可以通過連桿將轉動轉化為位移，再控制槳葉、油門、舵面等機構的動作，從而達到改變被控物體姿態(tài)的作用。圖1所示為某型號舵機的實物圖。
實際應用中，很多時候往往需要同時使用多個舵機才能達到控制的目的，例如固定翼的模型飛機至少需要3個舵機才能保證其空中姿態(tài)的穩(wěn)定，而機器人則需要更多舵機來完成其機械動作和功能。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。而利用單片機定時器輸出PWM信號來控制舵機是個很好的方法，但是，單片機的定時器資源有限，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動作，以達到節(jié)省單片機資源之目的。
2．2 舵機工作原理
標準的舵機有三條線，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的位置。本文的PWM信號是一種周期為20 ms的脈寬調制信號，而舵機信號線的輸入脈沖寬度為0．5～2．5ms的PWM信號時，其輸出轉角可在0°～180°間變化，輸出轉角和脈沖寬度的關系可簡單的表示為：
α=90(t-0．5)
式中，α為舵機輸出轉角；t為脈沖寬度，其定義域為0．5≤t≤2．5。由此可以看出，舵機的輸出轉角和脈沖寬度是一種線性關系。
3 系統(tǒng)設計
3．1 硬件電路設計
本系統(tǒng)電路可以基于單片機的最小系統(tǒng)設計，單片機最小系統(tǒng)通常包括電源、晶振和復位電路。系統(tǒng)要實現(xiàn)對舵機輸出轉角的控制，必須首先產生基本的PWM周期信號，即產生20 ms的周期信號，其次要調整脈寬，即調節(jié)單片機輸出PWM信號的占空比。單片機能使PWM信號的脈沖寬度實現(xiàn)微秒級的變化，因而具有較高的控制精度，單片機可以通過控制算法將計算結果轉化為PWM信號輸出到舵機信號線上。但由于單片機系統(tǒng)是數(shù)字系統(tǒng)，其工作方式由程序決定，而控制信號的變化完全依靠硬件計數(shù)，所以受外界干擾小，系統(tǒng)可靠程度高。
在用單片機驅動舵機之前，要先確定舵機的功率，然后選擇足夠功率的電源為舵機供電，而舵機信號控制端則只需要直接接在單片機I／O口上即可。一個多路舵機電路的設計圖如圖2所示。
3．2 軟件設計
本系統(tǒng)使用的是單片機的定時器方式2，方式2又被稱為8位初值自動重裝定時器／計數(shù)器，THX被作為常數(shù)緩沖器，當TLX計數(shù)溢出時，在溢出標志TFX置1的同時，還會自動將THX中的常數(shù)重新裝入TLX中，使TLX從初值開始重新計數(shù)，這樣就避免了人為軟件重裝初值所帶來的時間誤差，從而提高了定時器的計數(shù)精度，因此，方式2特別適合用做對精度要求較高的脈沖信號發(fā)生器的設計。因為其計數(shù)器只有8位，故最多能裝載的計數(shù)個數(shù)為28=256個，在12 MHz的晶振頻率下，單次最多可計時256μs。系統(tǒng)軟件可以基于Keil編寫，proteus可直接調用Keil編譯生成的．HEX(16進制)文件進行仿真，當Keil程序修改重新編譯后，Proteus不用做任何改動，直接運行便可看到修改后的程序運行效果。
現(xiàn)以四路舵機控制為例來定義五個變量count，servo1，servo2，servo3，servo4。變量count用于對中斷計數(shù)，servo1～4用于存儲四個PWM信號的脈寬值，程序中使用0．05 ms的定時器周期，定時器每0．05 ms產生一次中斷，同時變量count加1，當count加到400時，表示20 ms時間到，count歸零重新計數(shù)，在每一次重新計數(shù)開始時，單片機的所有舵機控制I／O口置高，當count加到等于servo1時，控制舵機1的I／O口置低，這樣就會產生一個周期為20 ms，脈沖寬度等于servo1×0．05 ms的PWM脈沖，其他三路與之類似。servo1～4的值可通過按鍵輸入改變，因定時器周期為0．05 ms，故PWM可控脈寬步進值為0．05 ms，對應被控舵機的輸出角度步進4．5°。如果需要更小的步進值，只需改變定時器周期和幾個變量的值即可，如果需要更多路的PWM波輸出，也僅需相應增加幾個變量即可；如果需要更多按鍵來控制舵機輸出轉角，最好將按鍵接稱陣列式，這樣比較節(jié)省I／O口。經(jīng)計算，當需要0．05 ms的計數(shù)周期時，應將THX和TLX都寫入0xCE。設4個舵機的信號端口分別為IO1～IO4，其中斷程序流程圖如圖3所示。
系統(tǒng)中的主程序包含定時器的設置與使能、按鍵檢測、變量賦值等，在此不再贅述。
4 系統(tǒng)仿真
在Proteus中繪制好電路，同時設置好相關參數(shù)，然后運行程序，即可直觀地看到程序執(zhí)行結果，通過按鍵還可改變舵機的輸出角度。舵機輸出角度執(zhí)行結果如圖4所示。
通過系統(tǒng)中連接的示波器可以顯示多路PWM波輸出結果。其PWM波形如圖5所示，圖中的方格橫向每格代表0．2 ms，縱向每格代表5 V。從示波器仿真結果來看，輸出的四路PWM波與四個舵機輸出轉角相對應，其波形都非常好。
5 結語
本文通過在Proteus中對電路的設計和Keil中對軟件的編寫，用51單片機實現(xiàn)了多路PWM脈沖的輸出，該系統(tǒng)具有硬件電路簡單、軟件可靠、資源節(jié)省等特點?？捎糜诤侥?、機器人等設計制作過程中的舵機控制和輔助系統(tǒng)調試，也可以用于其他需要多路PWM脈沖的系統(tǒng)。