多路舵機控制PWM發生器的設計與Proteus仿真

摘要：PWM脈寬信號調制是現代電子行業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環境下利用51單片機產生多路PWM脈沖的實現方法。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
單片機是現代儀器儀表、家用電器、工業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、可擴展性強等優點。單片機功能的飛速發展，其應用范圍日益廣泛，小到玩具，大到機器人，無論從數據采集，過程控制，模糊控制等智能系統，還是人類的日常生活，都離不開單片機。但是在單片機系統的開發過程中，如果先制作好電路板，再反復編程調試，就會給單片機系統開發帶來一定的麻煩。而如果設計初期就將Proteus軟件作為單片機系統的開發調試仿真工具，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周期和研發成本。本文以一個典型的單片機應用實例為基礎，使用Proteus和Keil軟件作為開發工具，介紹了單片機系統初期開發的設計與仿真過程。

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的穩定，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，FPGA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。