1、本 科 生 毕 业 设 计 (论 文)题目：基于 MCU 的遥控小车-舵机部分Topic :Remote control car based on MCU-Rudder part 教学单位 _ 电气信息工程学院_姓 名 _ _ _ 学 号 _201031006106 年 级 _ 2010 级_ _ 专 业 _ 自动化_指导教师 _ 职 称 _ 副教授 2014 年 3 月 20 日目 录摘 要 IABSTRACTII第 1 章 概述 11.1、背景知识介绍 11.2、研究现状 11.3、设计目的与意义 21.4、研究内容与设计任务 2第 2 章 系统总体方案设计 42.1、系统框图 42.2、
2、功能说明 42.2.1、PWM 信号输出 42.2.2、PWM 信号驱动舵机 52.2.3、红外通信控制 52.2.4、串口通信 52.2.5、数码管显示数据 52.3、器件与模块选型 52.3.1、主控芯片方案选择 52.3.2、晶振方案选择 62.3.3、显示模块方案选择 72.3.4、舵机方案选择 72.3.5、无线控制模块方案选择 82.3.6、最终选型方案 92.4、硬件资源介绍 92.4.1、单片机 92.4.2、晶振 112.4.3、数码管 122.4.4、舵机 142.4.5、红外发射器、接收头 18第 3 章 硬件设计实现 213.1、硬件电路设计 213.2、硬件模块设计
3、213.2.1、时钟振荡模块 213.2.2、复位模块 223.2.3、红外接收模块 223.2.4、显示模块 233.2.5、舵机模块 233.2.6、串口模块 24第 4 章 系统仿真调试 254.1、仿真环境介绍 254.2、仿真过程 254.2.1 仿真电路 254.2.2 仿真结果 26第 5 章 硬件实现与调试 285.1、硬件实物 285.2、硬件实现与调试 295.2.1、硬件实现 295.2.2、模块电路检测 295.2.3、硬件电路的静态调试 305.2.4、硬件电路的动态调试 315.3、调试问题与解决 325.4、注意事项 33第 6 章 总结与展望 34致 谢 35参
4、考文献 36附 录 37摘要本文是无线遥控现车舵机控制部分研究，舵机其实是一种位置伺服的驱动器（角度伺服） ，适用于一些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使用得比较普遍。舵机也是一种俗称，其实是一种伺服马达。与其他电机相比，舵机有着精度高，性能高，抗过敏能力强，输出功率高，稳定性好，及时性强，噪声低等优点。本设计中我们采用单片机来驱动舵机工作，以 STC89C51 单片机作为核心控制器，单片机是通过改变输出的 PWM 信号占空比来控制舵机的转角与转速，这样舵机可以实现正转反转自转旋转等功能。利用 proteus 软件进行仿
5、真调试，依照原理图进行焊接，下载 hex 文件到单片机来驱动舵机完成相应的动作。正文将着重介绍硬件选择，工作原理，硬件设计，仿真以及具体实现效果。关键词：舵机 ；STC89C51；单片机 ；ABSTRACTThis paper is part of the wireless remote control car steering gear control , The steering gear is a kind of position servo drive(angle servo), Application of control system in some angle changing.
6、 Apresent, in the high-end remote control toys, such as the model, including the model of aircraft, submarine model; Remote control robot has been used more widely.The steering gear is a commonly known as, in fact, is a kind ofservo motor. Compared with other motor, steering gear with high precision
7、,high performance, anti allergic ability, high output power, good stability, timeliness strong, has the advantages of low noise.We used in the design of the single chip microcomputer to power steering gear, the STC89C51 microcontroller as the core controller, single chip microcomputer is by changing
8、 the output PWM signal duty ratio control steering Angle and speed, the steering gear can be rotated to turn positive reverse rotation, and other functions. Use of proteus simulation software debugging, in accordance with the principle diagram of welding, download the hex file to the microcontroller
9、 to drive the steering gear to complete the corresponding action. Text will focus on the hardware selection, working principle, hardware design, simulation and implementation effect.Keywords: Steering gear; STC89C51; single chip microcomputer; 1 引言1.1课题背景舵机又称微伺服电机，其主要组成部分为伺服电机，包含伺服电机控制电路以及减速齿轮组。早期在模
10、型上使用最多，主要用于控制模型的舵面，所以俗称舵机。伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。舵机是机电系统的重要执行机构，其早期是应用在航模中控制方向的，在航空模型中，飞行器的飞行姿态是通过调整发动机和各个控制多面来实现的，后来舵机的体积小、重量轻、扭矩大、精度高等优点，舵机在航模、船模、车模、机器人等领域得到广泛应用。在航天方面，导弹姿态变换的俯仰、偏航、滚转运动都是靠舵机相互配合完成的；在机器人领域，舵机很适合做机器人关节驱动；在智能车中，舵机主要用于转弯控制，同时也可用于传感器的摇头控制、刹车控制。1.2、现状研究随着社会生产力的不断发展和科学技术水
11、平的不断提高, 舵机技术也必将得到进一步的发展。传统的舵机为模拟舵机，主要由马达、减速齿轮、控制电路等组成，但模拟舵机对于发射机的细小动作，反应非常迟钝，或者根本就没有反应。而且容易受干扰。在模拟舵机的基础上，数字舵机的控制电路比模拟舵机的多了微处理器和晶振。这使得数字舵机在以下两点与模拟舵机不同：1.处理接收机的输入信号的方式；2.控制舵机马达初始电流的方式，减少无反应区(对小量信号无反应的控制区域)，增加分辨率以及产生更大的固定力量。数字舵机能够适应不同的功能要求，并优化性能， “无反应区”变小；反应变得更快；加速和减速时也更迅速、更柔和；能够提供更高的精度和更好的固定力量。总的来看，舵机
12、的发展可以归纳为以下三个方面:从性能上看, 向高精度、高效率、高可靠性、高适应性方向发展; 从功能上看, 向小型化、轻型化、多功能方向发展; 从层次上看, 向系统化、复合集成化方向发展。 以现代控制理论为控制规律, 实现全数字化、智能化、综合化是未来舵机发展的总趋势。1.3、研究内容与设计任务1、研究内容本设计重点研究以下几个方面：（1）舵机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可以保持的控制系统。其控制信号是 PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。其工作原理与工作方式，这是我们研究的主要内容。（2）单片机又称为微控制器，它是一种面向控制的大规模集成电路芯片。我们主要通过单
13、片机输出信号来控制舵机进行工作。所以很好地学会使用单片机是不可或缺的。（3）无线电遥控是一种无线、非接触控制技术，具有抗干扰能力强，信息传输可靠，功耗低，成本低的通信方式。我们采用无线电遥控来控制舵机，需要了解其编码、解码的原理来实现收发信息。（4）串口是计算机上一种非常通用的设备通信协议。我们采用串口通信来与计算机上位机进行通信。需要研究串口通信的原理与执行方式。2、设计任务通过对以上各项目的研究，本设计使用 S1123舵机， 其控制信号是 PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。主要工作如下：1. 舵机转动角度范围：0 度 180 度。2. 转动方式：左转右转。3. 无线电遥控控制舵机
14、转动方式。4. 舵机通过串口模块与单片机机实现通信。第 2 章 系统总体方案设计2.1、系统概述系统主要包括单片机控制系统，电机驱动模块，舵机模块以及无线遥控模块；通过各个模块的协同配合来完成整个系统的运行。设计的系统概况：通过无线遥控发射发出指令，当小车的接受模块接收指令传达给单片机系统，再驱动电机模块和舵机模块协调工作，达到控制小车的目的。仿真图如下 11：图 11 仿真图2.2、功能说明2.2.1、PWM 信号输出使用单片机系统实现对舵机输出转角的控制，首先完成两个任务：一是产生基本的 PWM周期信号，本设计是产生 20ms的周期信号；其次是脉宽的调整，即单片机模拟 PWM信号的输出，并
15、且调整占空比。当系统中需要实现对一个舵机的控制，采用的控制方式是改变单片机的一个定时器中断的初值，将 20ms分为两次中断执行，一次短定时中断和一次长定时中断。短中断输出高电平，长中断输出低电平。这样既节省了硬件电路，也减少了软件开销，控制系统工作效率和控制精度都很高。2.3、器件与模块选型2.3.1、主控芯片方案选择51系列单片机相对于其他单片机（PIC、AVR 等） ，它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器。其次具有乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。而且其 I/O脚的设置和使用非常简单，当引脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各 I/O口均置高电平）
16、。另外一个重要原因是使用该芯片的人很多,网上的资料也很丰富，方便我们学习与研究。因此选择 51系列作为系统控制芯片 AT89C51有 128byte RAM，4K ROM。它有 T0、T1 两个 16位定时器。2.3.2、晶振方案选择11.0592MHz无源晶振该晶振在计算时钟、串口通信波特率等运算中能够得到一个整数，使通信波特率更精确、串口通信的可靠性更高、计算的结果更加精确与方便。例如波特率为 9600BPS，振动频率为 11.0592MHz的单片机每个机器周期为（12/11.0592）us。 ，每位间隔机器周期个数为(1/9600)/(12/11.0592 * 10) = 96（即个数=
17、波特率位/机器周期）,结果正好为整数。2.3.3、舵机方案选择数字舵机数字舵机电子电路中带 MCU微控制器，其内部直流伺服电机控制芯片处理接收机的输入信号的方式。然后控制舵机马达初始电流的方式，减少无反应区(对小量信号无反应的控制区域)，增加分辨率以及产生更大的固定力量。有着反应速度更快，无反应区范围小，定位精度高，抗干扰能力强等优势。但价格昂贵，需要消耗更多的动力。2.3.4、无线控制模块方案选择无线电遥控2.3.5、最终选型方案单片机：stc89c51晶振：11.0592MHz 无源晶振舵机：数字舵机1、 舵机的结构 舵机简单的说就是集成了直流电机、电机控制器和减速器等，并封装在一个便于安
18、装的外壳里的伺服单元。能够利用简单的输入信号比较精确的转动给定角度的电机系统。 舵机安装了一个电位器（或其它角度传感器）检测输出轴转动角度，控制板根据电位器的信息能比较精确的控制和保持输出轴的角度。这样的直流电机控制方式叫闭环控制，所以舵机更准确的说是伺服马达，英文 servo。 舵机的主体结构如下图所示，主要有几个部分：外壳、减速齿轮组、电机、电位器、控制电路。简单的工作原理是控制电路接收信号源的控制信号，并驱动电机转动；齿轮组将电机的速度成大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大响应倍数，然后输出；电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动角度；电路板检测并根据电位器判断舵机转动角度，然后控制舵机转动到目标角度或保持在目标角度。
