系统设计 - 多路舵机控制PWM发生器的设计与Proteus仿真

　　3.1 硬件电路设计

　　本系统电路可以基于单片机的最小系统设计，单片机最小系统通常包括电源、晶振和复位电路。系统要实现对舵机输出转角的控制，必须首先产生基本的PWM周期信号，即产生20 ms的周期信号，其次要调整脉宽，即调节单片机输出PWM信号的占空比。单片机能使PWM信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，因而具有较高的控制精度，单片机可以通过控制算法将计算结果转化为PWM信号输出到舵机信号线上。但由于单片机系统是数字系统，其工作方式由程序决定，而控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰小，系统可靠程度高。

　　在用单片机驱动舵机之前，要先确定舵机的功率，然后选择足够功率的电源为舵机供电，而舵机信号控制端则只需要直接接在单片机I/O口上即可。一个多路舵机电路的设计图如图2所示。

　　3.2 软件设计

　　本系统使用的是单片机的定时器方式2，方式2又被称为8位初值自动重装定时器/计数器，THX被作为常数缓冲器，当TLX计数溢出时，在溢出标志TFX置1的同时，还会自动将THX中的常数重新装入TLX中，使TLX从初值开始重新计数，这样就避免了人为软件重装初值所带来的时间误差，从而提高了定时器的计数精度，因此，方式2特别适合用做对精度要求较高的脉冲信号发生器的设计。因为其计数器只有8位，故最多能装载的计数个数为28=256个，在12 MHz的晶振频率下，单次最多可计时256μs。系统软件可以基于Keil编写，Proteus可直接调用Keil编译生成的.HEX(16进制)文件进行仿真，当Keil程序修改重新编译后，Proteus不用做任何改动，直接运行便可看到修改后的程序运行效果。

　　现以四路舵机控制为例来定义五个变量count，servo1，servo2，servo3，servo4。变量count用于对中断计数，servo1～4用于存储四个PWM信号的脉宽值，程序中使用0.05 ms的定时器周期，定时器每0.05 ms产生一次中断，同时变量count加1，当count加到400时，表示20 ms时间到，count归零重新计数，在每一次重新计数开始时，单片机的所有舵机控制I/O口置高，当count加到等于servo1时，控制舵机1的I/O口置低，这样就会产生一个周期为20 ms，脉冲宽度等于servo1×0.05 ms的PWM脉冲，其他三路与之类似。servo1～4的值可通过按键输入改变，因定时器周期为0.05 ms，故PWM可控脉宽步进值为0.05 ms，对应被控舵机的输出角度步进4.5°。如果需要更小的步进值，只需改变定时器周期和几个变量的值即可，如果需要更多路的PWM波输出，也仅需相应增加几个变量即可;如果需要更多按键来控制舵机输出转角，最好将按键接称阵列式，这样比较节省I/O口。经计算，当需要0.05 ms的计数周期时，应将THX和TLX都写入0xCE。设4个舵机的信号端口分别为IO1～IO4，其中断程序流程图如图3所示。

　　系统中的主程序包含定时器的设置与使能、按键检测、变量赋值等，在此不再赘述。

　　4 系统仿真

　　在Proteus中绘制好电路，同时设置好相关参数，然后运行程序，即可直观地看到程序执行结果，通过按键还可改变舵机的输出角度。舵机输出角度执行结果如图4所示。

　　通过系统中连接的示波器可以显示多路PWM波输出结果。其PWM波形如图5所示，图中的方格横向每格代表0.2 ms，纵向每格代表5 V。从示波器仿真结果来看，输出的四路PWM波与四个舵机输出转角相对应，其波形都非常好。

　　5 结语

　　本文通过在Proteus中对电路的设计和Keil中对软件的编写，用51单片机实现了多路PWM脉冲的输出，该系统具有硬件电路简单、软件可靠、资源节省等特点。可用于航模、机器人等设计制作过程中的舵机控制和辅助系统调试，也可以用于其他需要多路PWM脉冲的系统。