基于STC89C52單片機的舵機控制系統(tǒng)設計

衡水職業(yè)技術學院 王素芹 程連生

一、小型自控飛艇舵控系統(tǒng)簡介

舵機是小型自控飛艇執(zhí)行機構中最主要的執(zhí)行部件，能否快速、準確地完成對舵機的控制直接關系到飛艇的自主控制效果。因此，舵控系統(tǒng)成為小型飛艇自主飛行控制系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，它的主要功能是接收艇載計算機發(fā)出的控制指令，實現(xiàn)對控制指令的采集、分析和處理，并根據(jù)控制指令向舵機輸出連續(xù)可調(diào)的舵控信號，操縱艇上各舵機完成預定動作。

二、舵控系統(tǒng)硬件設計

本飛艇舵控系統(tǒng)以多片STC89C52單片機為核心，配合電源模塊、驅(qū)動芯片及多路轉(zhuǎn)換開關等在一塊印制電路板上實現(xiàn)預定功能。

舵控系統(tǒng)主控芯片選擇STC89C52單片機，它具有8KB的并行可編程非易失性FLASH程序存儲器，并可對器件串行在系統(tǒng)編程(ISP)和在應用中編程(IAP)。數(shù)據(jù)保留時間：10年，全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz，三級程序存儲器鎖定，128×8位內(nèi)部RAM，32可編程I/O線，4組8位I/O口，兩個16位定時器/計數(shù)器，5個中斷源，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式，片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。

電源模塊采用78xx系列端穩(wěn)壓集成電路，它是線性三端穩(wěn)壓器件。利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩(wěn)壓電路，為MCU穩(wěn)定可靠的工作提供強有力的保證。

此外，為增強信號的驅(qū)動能力，在輸出之前采用74LS245作為信號驅(qū)動芯片；串口電平轉(zhuǎn)換采用Max232芯片。

三、舵控系統(tǒng)軟件設計

1.軟件總體結構

舵控系統(tǒng)各單片機程序均在Keil C51環(huán)境下采用C語言編寫。為了保證系統(tǒng)的實時性及快速性，軟件編寫采用了主程序+任務+中斷的結構。

在三部分程序中，以主單片機1的外部中斷最多，包括串口中斷、與主單片機2的握手中斷以及艇載計算機看門狗的外部中斷，這幾個中斷的優(yōu)先級排列順序是：艇載計算機看門狗中斷＞串口中斷＞握手中斷。主單片機1接收到艇載計算機通過RS232串口發(fā)來的信息幀后，首先進行幀識別，提取出前m個字節(jié)的數(shù)據(jù)，加上幀頭幀尾后由P1口發(fā)送給主單片機2；并將第m+1個字節(jié)數(shù)據(jù)作為開關量通道控制信號由P2口輸出，用作系統(tǒng)控制備用。

主單片機2程序的主要任務是通過其P1口接收上位機傳來的數(shù)據(jù)，提取各控制信息，在相應控制指令的前面加上地址，依次由串口發(fā)送給下位舵控單片機。

舵控單片機的主要任務是識別控制指令和地址指令，并根據(jù)收到的控制指令(舵機占空比信號)產(chǎn)生PWM波控制艇上舵機。

該系統(tǒng)軟件設計中的關鍵問題包括以下幾個方面：

(1)控制信號流程中數(shù)據(jù)幀的接收識別；

(2)舵控系統(tǒng)中主從單片機之間的多機通信；

(3)PWM波舵控信號的軟件產(chǎn)生方法。

2.軟件設計中的關鍵問題

(1)數(shù)據(jù)幀的串口接收及識別技術

采用了中斷服務程序就地幀識別技術，其優(yōu)點在于數(shù)據(jù)接收后立即進行幀識別，省去了對緩沖區(qū)的管理工作，減少了存取次數(shù)，因而節(jié)省了大量的時間，極大地提高了接收程序的實時性。同時錯幀和斷幀被自動丟棄，不再占用資源。

(2)單片機多機通訊

在舵控系統(tǒng)設計中，各部分間的通訊是設計的重要內(nèi)容，其中主要包括單片機與上位PC機間的通訊和單片機與單片機之間的通訊。在舵控系統(tǒng)中，主單片機1與上位PC機通訊是通過單片機自帶的一路異步串行通訊接口完成的；而主單片機1通過其P1口向主單片機2傳輸數(shù)據(jù)，

此系統(tǒng)中，主單片機2作為主機，m個舵控單片機作為從機，在主機與從機的通訊過程中，串口控制寄存器中SCON中的SM2位發(fā)揮了重要作用。當其中一個舵控單片機的SM2位為1時，該單片機只接收地址幀，對數(shù)據(jù)幀不理睬；而當SM2位為0時，該單片機接收所有發(fā)來的消息。具體通信過程如下：①首先將主、從單片機工作方式選為模式3，所有從機的SM2位開始置1，處于只接收地址幀狀態(tài)。②主機接收主單片機1發(fā)來的數(shù)據(jù)幀，從中提出數(shù)據(jù)部分(m個字節(jié)的指令對應m個舵控單片機)，根據(jù)序號在控制指令字節(jié)前加上一個字節(jié)的地址信息。然后主機依次通過串口向下發(fā)送各舵控單片機的地址字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)。發(fā)送一幀地址信息，包含8位地址，第9位為1，表示發(fā)送的幀為地址幀。③從機接收地址幀后，進入中斷，將發(fā)來的地址與自身比較；地址一致的從機就是被尋址的從機，它清除SM2位，接收主機發(fā)來的所有后續(xù)幀信息(數(shù)據(jù)信息)。未尋址的所有其他從機仍維持SM2=1，對主機發(fā)來的數(shù)據(jù)幀不理睬，直到發(fā)來新地址幀；之后在下一次中斷時被尋址的從機接收主機發(fā)來的數(shù)據(jù)信息(第9位為0)。

需要注意的是，如果對已經(jīng)尋址的從機再發(fā)送地址幀，則該從機SM2=1，恢復初始狀態(tài)，和其他從機競爭。

(3)舵控信號PWM波的產(chǎn)生

對飛艇舵機的控制最終是通過舵控單片機產(chǎn)生PWM波來實現(xiàn)的。通常，產(chǎn)生PWM波不外乎硬件和軟件兩種方法?？紤]到舵控單片機計算任務不大，本系統(tǒng)中采用軟件產(chǎn)生PWM波的方法。下面以定時器0產(chǎn)生PWM波為例，說明通過軟件產(chǎn)生PWM波舵控信號的實現(xiàn)方法。

在程序中，由串口中斷接收上位機發(fā)送的脈寬指令，繼而通過改變?nèi)肟趨?shù)a來調(diào)整PWM波的脈寬，并確保脈寬輸出在正常范圍之內(nèi)。通過該方法產(chǎn)生PWM波切實可行，簡單有效，可以廣泛應用于舵機控制信號的產(chǎn)生中。

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