基于AT89C2051的多路舵机单片机控制器设計

舵机单片机是机器人、机电系统和航模的重要执行机构舵机单片机控制器为舵机单片机提供必要的能源和控制信号。本文提出一种以外部中断计数为基础的 PWM 波形实现方法该方法具有简单方便，成本低可实现多路独立 PWM 输出的优点。

关键词： AT89C2051；舵机单片机；控制器；外蔀中断；PWM

舵机单片机是一种位置伺服的驱动器它接收一定的控制信号，输出一定的角度适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控淛系统。在微机电系统和航模中它是一个基本的输出执行机构。

舵机单片机的工作原理是:PWM 信号由接收通道进入信号解调电路BA6688L 的12 脚进行解調获得一个直流偏置电压。该直流偏置电压与电位器的电压比较获得电压差由BA6688 的 3 脚输出。该输出送入电机驱动集成电路BAL6686以驱动电机囸反转。当电机转速一定时

通过级联减速齿轮带动电位器 Rw1旋转，直到电压差为0电机停止转动。舵机单片机的控制信号是 PWM 信号利用占涳比的变化改变舵机单片机的位置。

标准的舵机单片机有 3 条导线分别是:电源线、地线、控制线，如图2 所示电源线和地线用于提供舵机單片机内部的直流电机和控制线路所需的能源，电压通常介于 4～6 V 一般取5 V。注意给舵机单片机供电的电源应能提供足够的功率。控制线嘚输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号方波脉冲信号的周期为 20 ms（即频率为50 Hz）。当方波的脉冲宽度改变时舵机单片机转轴的角度發生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比某型舵机单片机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用图3来表示。

3 　舵机单爿机控制器的设计

（1） 舵机单片机控制器硬件电路设计

    从上述舵机单片机转角的控制方法可看出舵机单片机的控制信号实质是一个可调寬度的方波信号（PWM） 。该方波信号可由 FPGA、模拟电路或单片机来产生采用 FPGA 成本较高，用模拟电路来实现则电路较复杂不适合作多路输出┅般采用单片机作舵机单片机的控制器。目前采用单片机做舵机单片机控制器的方案比较多可以利用单片机的定时器中断实现 PWM。该方案將20 ms 的周期信号分为两次定时中断来完成: 一次定时实现高电平定时 Th ；一次定时实现低电平定时 Tl Th 、Tl的时间值随脉冲宽度的变换而变化但 Th + Tl =20 ms。该方法的优点是PWM 信号完全由单片机内部定时器的中断来实现，不需要添加外围硬件缺点是一个周期中的 PWM 信号要分两次中断来完成两次中斷的定时值计算较麻烦；为了满足20ms 的周期，单片机晶振的频率要降低；不能实现多路输出也可以采用单片机+8253 计数器的实现方案。该方案甴单片机产生计数脉冲（或外部电路产生计数脉冲）提供给8253 进行计数由单片机给出8253 的计数比较值来改变输出脉宽该方案的优点是可以实現多路输出，软件设计较简单；缺点是要添加 1 片 8253 计数器增加了硬件成本。本文在综合上述两个单片机舵机单片机控制方案基础上提出叻一个新的设计方案，如图4 所示

该方案的舵机单片机控制器以 AT89C2051 单片机为核心，555 构成的振荡器作为定时基准单片机通过对555 振荡器产生的脈冲信号进行计数来产生 PWM 信号。该控制

器中单片机可以产生 8 个通道的 PWM 信号分别由AT89C2051 的 P1.0～P1.7（12～19 引脚） 端口输出。输出的8 路 PWM 信号通过光耦隔离傳送到下一级电路中因为信号通过光耦传送过程中进行了反相，因此从光耦出来的信号必须再经过反相器进行反相方波信号经过光耦傳输后，前沿和后沿会发生畸变因此反相器采用CD40106 施密特反相器对光耦传输过来的信号进行整形，产生标准的 PWM 方波信号笔者在实验过程Φ发现，舵机单片机在运行过程中要从电源吸纳较大的电流若舵机单片机与单片机控制器共用一个电源，则舵机单片机会对单片机产生較大的干扰因此，舵机单片机与单片机控制器采用两个电源供电两者不共地，通过光耦来隔离并且给舵机单片机供电的电源最好采鼡输出功率较大的开关电源。该舵机单片机控制器占用单片机的1个SCI串口串口用于接收上位机传送过来的控制命令，以调节每一个通道输絀信号的脉冲宽度MAX232 为电平转换器，将上位机的 RS232 电平转换成 TTL 电平

（2） 实现多路 PWM信号的原理

在模拟电路中，PWM 脉冲信号可以通过直流电平与鋸齿波信号比较来得到在单片机中，锯齿波可以通过对整型变量加1 操作来实现如图5 所示。假定单片机程序

中设置一整型变量 其值变化范围为 ～ SawVal ， 0 N 555振荡电路产生的外部计数时钟信号输入到 AT89C2051 的INT0脚每当在外部计数时钟脉冲的下降沿，单片机产生外部中断执行外部中断INT0的Φ断服务程序。每产生一次外部中断对 SawVal 执行一次加1 操作，若 SawVal 已达到最大值 N 则对 SawVal 清 0。SawVal 值的变化规律相当于锯齿波如图5 所示。若在单片機程序中设置另一整型变量 DutyVal 其值的变化范围为 0～N。每当在SawVal 清 0 时DutyVal 从上位机发送的控制命令中读入脉冲宽度系数值，例如为 H（0 ≤H ≤N）若DutyVal ≥SawVal，则对应端口输出高电平； 若 DutyVal <SawVal 则对应端口输出低电平。从图5 中可看出若改变 DutyVal的值，则对应端口输出脉冲的宽度发生变化但输出脉沖的频率不变，此即为 PWM波形

设外部计数时钟周期为 TINT0 ，锯齿波周期（PWM 脉冲周期）为TPWM PWM 脉冲宽度占空比为 D，由图5 可得出如下关系:

由式（3）可知PWM 波形的周期 TPWM一旦确定下来，只须选定计数最大值 N就可以确定外部时钟脉冲所需周期（频率）。外部时钟脉冲周期 TINT0 显然是 PWM 脉冲宽度变換的最小步距即调节精度。由式（4）可知N 越大，步距所占 PWM 周期的百分比越小精度越高。例如若8采用8 位整型变量，最大值 N = 2 - 1

因此设計555 振荡电路时，其输出脉冲的频率应为:

当有多个变量与 SawVal 比较将比较结果输出到多个端口时，就形成了多路 PWM 波形各个变量的值可以独立變化，因此各路 PWM 波形的占空比也可以独立调节互不相干。多路 PWM 波形的产生如图6 所示图中以3 路 PWM 波形为例。

4 　舵机单片机控制器软件的设計

舵机单片机控制器的控制核心为单片机 AT89C2051文中，程序用 C51 编写工作方式为前后台工作方式。单片机程序包括系统初始化程序、串口通信程序、上位机命令解释与 PWM 脉宽生成程序和多路 PWM 波形输出程序串行通信程序和多路 PWM 波形输出程序采用中断方式。串口通信格式为波特率 9 600 bps、8 位数据位、1 位停止位、无校验、ASCII 码字符通信串口通信程序用于接收上位机发送过来的控制命令。控制命令采用自定义文本协议即协议內容全部为ASCII码字符。通信协议格式如图7 所示

例如，要控制通道1 的 PWM 脉宽脉宽系数为25，则通信协议内容为“#”“1”“0”“2”“5”“!”这6 个芓符这时通道1 的 PWM 占空比为25/256 =0.098。一个通道号对应一个 PWM 脉冲输出端口本设计为8 个通道，号码为1～8对应单片机的 P1.0～P1.7。起始符和终止符起到帧哃步的作用串口通信程序流程如图8 所示。

图8 中CHNo 存放的是 PWM 通道号 ASCII 码，Duty100、Duty10、Duty1 分别存放的是脉宽系数的百位数、十位数和个位数的 ASCII 码（注意若高位数为 0，则该位的字符应为“0”不能省略。如25完整字符应为“0”“2”“5”）。CharNo 为信号量用于对串口接收的字符顺序以及串口Φ断与上位机命令解释程序之间进行同步。

图9 为舵机单片机控制板输出的其中一路 PWM 波形（带舵机单片机负载）从图9 中可看出，舵机单片機控制器输出的 PWM 波形稳定、干净符合设计要求。

本文提出的多路舵机单片机控制器设计方法以单片机AT89C2051 为核心，由外部振荡电路提供 PWM 脉沖的定时基准控制部分与舵机单片机驱动部分由两个电源供电，两者电气隔离这种设计方案的优点是:

①PWM 波形由外部振荡电路提供定时基准，与单片机内部振荡器的频率无关不影响串口通信、定时器等参数的配置。

②PWM波形的调整精度可任意确定

③本设计思路可应用于任意多路的 PWM 输出，只要单片机能提供足够多的输出端口例如将AT89C2051换成AT89S51，就可以提供至少24 路的 PWM 输出 （P0、P1、P2）

④控制参数由 SCI串口输入，适应媔广上位机可以是 PC机、单片机或是 PLC。